El proceso que genera energía solar. El principio de conversión de energía solar, su aplicación y perspectivas.

Cada día disminuye la cantidad de reservas mundiales de carbón, petróleo, gas, es decir, todo lo que hoy nos sirve como fuente de energía. Y en un futuro próximo, la humanidad llegará al punto en que simplemente no quedarán combustibles fósiles. Por lo tanto, todos los países están buscando activamente la salvación de la catástrofe que se nos acerca rápidamente. Y el primer medio de salvación que me viene a la mente es, por supuesto, la energía del sol, que el hombre ha utilizado desde tiempos inmemoriales para secar la ropa, iluminar las casas y cocinar. Esto dio lugar a una de las áreas de energía alternativa: la energía solar.

La fuente de energía de la energía solar es la energía de la luz solar, que se convierte en calor o electricidad mediante estructuras especiales. Según los expertos, en tan solo una semana la superficie terrestre recibe del sol una cantidad de energía que supera la energía de las reservas mundiales de todo tipo de combustible. Y aunque el ritmo de desarrollo de este campo de las energías alternativas crece constantemente, la energía solar todavía tiene no sólo ventajas, sino también desventajas.

Si las principales ventajas incluyen la accesibilidad y, lo más importante, la inagotabilidad de la fuente de energía, entonces las desventajas incluyen:

• la necesidad de acumular energía recibida del sol,
• costo significativo del equipo utilizado,
• dependencia de las condiciones climáticas y la hora del día,
• aumento de la temperatura atmosférica por encima de las centrales eléctricas, etc.

Características numéricas de la radiación solar.

Existe un indicador como la constante solar. Su valor es 1367 W. Ésta es exactamente la cantidad de energía por 1 m2. planeta Tierra. Pero debido a la atmósfera, entre un 20 y un 25% menos de energía llega a la superficie de la Tierra. Por tanto, el valor de la energía solar por metro cuadrado, por ejemplo, en el ecuador es de 1020 W. Y teniendo en cuenta el cambio de día y de noche, el cambio en el ángulo del sol sobre el horizonte, esta cifra disminuye aproximadamente 3 veces.

¿Pero de dónde viene esta energía? Los científicos comenzaron a estudiar este tema por primera vez en el siglo XIX y las versiones eran completamente diferentes. Hoy en día, como resultado de una gran cantidad de estudios, se sabe con certeza que la fuente de energía solar es la reacción de convertir 4 átomos de hidrógeno en un núcleo de helio. Como resultado de este proceso, se libera una cantidad significativa de energía. Por ejemplo, la energía liberada durante la transformación de 1 g. El hidrógeno es comparable a la energía liberada durante la combustión de 15 toneladas de gasolina.

Conversión de energía solar

Ya sabemos que la energía recibida del sol debe convertirse en alguna otra forma. La necesidad de esto surge debido al hecho de que la humanidad aún no dispone de dispositivos que puedan consumir energía solar en su forma pura. Por ello, se desarrollaron fuentes de energía como colectores solares y paneles solares. Si el primero se utiliza para generar energía térmica, el segundo produce electricidad directamente.

Hay varias formas de convertir la energía solar:

• fotovoltaica;
• energía del aire térmico;
• energía solar térmica;
• utilizando plantas de energía de globos solares.

El método más común es la energía fotovoltaica. El principio de esta conversión es el uso de paneles solares fotovoltaicos, o paneles solares como también se les llama, mediante los cuales se convierte la energía solar en energía eléctrica. Como regla general, estos paneles están hechos de silicio y el espesor de su superficie de trabajo es de sólo unas pocas décimas de milímetro. Se pueden colocar en cualquier lugar, solo hay una condición: la presencia de una gran cantidad de luz solar. Una excelente opción para instalar placas fotográficas en cubiertas de edificios residenciales y públicos.

Además de las placas fotográficas comentadas anteriormente, se utilizan paneles de película fina para convertir la energía de la radiación solar. Se distinguen por un espesor aún menor, lo que permite su instalación en cualquier lugar, pero un inconveniente importante de estos paneles es su baja eficiencia. Es por ello que su instalación estará justificada sólo en grandes superficies. Sólo por diversión, el panel de película delgada se puede colocar incluso en la funda de una computadora portátil o en un bolso.

En la energía térmica del aire, la energía solar se convierte en energía del flujo de aire, que luego se envía a un turbogenerador. Pero en el caso de utilizar plantas de energía solar para globos, se genera vapor de agua dentro del globo. Este efecto se consigue calentando con la luz solar la superficie del globo, sobre la que se aplica un revestimiento de absorción selectiva. La principal ventaja de este método es el suministro suficiente de vapor, suficiente para continuar el funcionamiento de la central eléctrica en condiciones climáticas adversas y de noche.

El principio de la energía solar es calentar una superficie que absorbe los rayos del sol y los enfoca para el posterior aprovechamiento del calor resultante. El ejemplo más sencillo es calentar agua, que luego se puede utilizar para necesidades domésticas, por ejemplo, para suministrar al alcantarillado o a baterías, ahorrando gas u otro combustible. A escala industrial, la energía de la radiación solar obtenida mediante este método se convierte en energía eléctrica mediante motores térmicos. La construcción de estas centrales eléctricas combinadas puede durar más de 20 años, pero el ritmo de desarrollo de la energía solar no disminuye, sino que, por el contrario, crece constantemente.

¿Dónde se puede utilizar la energía solar?

La energía solar se puede utilizar en ámbitos completamente diferentes: desde la industria química hasta la industria automovilística, desde la cocina hasta la calefacción de espacios. Por ejemplo, el uso de paneles solares en la industria del automóvil se remonta al año 1955. Este año estuvo marcado por el lanzamiento del primer automóvil que funcionaba con baterías solares. Hoy en día, BMW, Toyota y otras grandes empresas producen este tipo de coches.

En la vida cotidiana, la energía solar se utiliza para calentar habitaciones, iluminar e incluso cocinar. Por ejemplo, los hornos solares fabricados con papel de aluminio y cartón, por iniciativa de la ONU, son utilizados activamente por los refugiados que se vieron obligados a abandonar sus hogares debido a la difícil situación política. Los hornos solares más complejos se utilizan para el tratamiento térmico y la fundición de metales. Uno de los mayores hornos de este tipo se encuentra en Uzbekistán.

Los inventos más interesantes sobre el uso de la energía solar incluyen:

• Funda protectora para teléfono con fotocélula, que también es cargador.
• Una mochila con un panel solar adherido. Te permitirá cargar no solo tu teléfono, sino también tu tablet e incluso tu cámara, en general, cualquier dispositivo electrónico que tenga entrada USB.
• Auriculares solares Bluetooth.

Y la idea más creativa es la ropa confeccionada con una tela especial. Una chaqueta, una corbata e incluso un traje de baño: todo esto puede convertirse no solo en una prenda de vestir, sino también en un cargador.

Desarrollo de energías alternativas en los países de la CEI.

Las energías alternativas, incluida la solar, se están desarrollando a un ritmo acelerado no sólo en EE.UU., Europa o la India, sino también en los países de la CEI, incluidos Rusia, Kazajstán y, especialmente, Ucrania. Por ejemplo, en Crimea se construyó la mayor planta de energía solar de la antigua Unión Soviética, Perovo. Su construcción finalizó en 2011. Esta central eléctrica se convirtió en el tercer proyecto innovador de la empresa austriaca Activ Solar. La potencia máxima de Perovo es de unos 100 MW.

Y en octubre del mismo año, Activ Solar inauguró otra planta de energía solar, Okhotnikovo, también en Crimea. Su potencia era de 80 MW. Okhotnikovo también recibió el estatus de el más grande, pero de Europa Central y del Este. Podemos decir que las energías alternativas en Ucrania han dado un gran paso hacia una energía segura e inagotable.

En Kazajstán, la situación parece un poco diferente. Básicamente, el desarrollo de energías alternativas en este país ocurre sólo en teoría. La república tiene un potencial enorme, pero aún no se ha realizado plenamente. Por supuesto, el gobierno se ocupa de este tema, e incluso se ha desarrollado un plan para el desarrollo de energías alternativas en Kazajstán, pero la proporción de energía obtenida de fuentes renovables, en particular del sol, no será más del 1%. en el balance energético global del país. Hasta 2020 está previsto poner en marcha sólo 4 plantas de energía solar, cuya capacidad total será de 77 MW.

Las energías alternativas en Rusia también se están desarrollando a un ritmo considerable. Pero, como afirmó el Viceministro de Energía, en este ámbito la atención se centra principalmente en las regiones del Lejano Oriente. Por ejemplo, en Yakutia, la producción total de 4 plantas de energía solar que funcionan en las aldeas más remotas del norte ascendió a más de 50 mil kWh. Esto permitió ahorrar más de 14 toneladas de costoso combustible diesel. Otro ejemplo del uso de la energía solar es el complejo aeronáutico multifuncional que se está construyendo en la región de Lipetsk. La electricidad para su funcionamiento será generada por la primera central solar, construida también en la región de Lipetsk.

Todo esto nos permite sacar la siguiente conclusión: hoy todos los países, incluso los más desarrollados, se esfuerzan por acercarse lo más posible al ansiado objetivo: el uso de fuentes de energía alternativas. Después de todo, el consumo de electricidad crece cada día y la cantidad de emisiones nocivas al medio ambiente aumenta cada día. Y muchos ya entienden que nuestro futuro y el futuro de nuestro planeta depende sólo de nosotros.

R. Abdullina

Ucrania depende de la energía solar

La gente ya no puede imaginar la vida sin electricidad y cada año la necesidad de energía aumenta cada vez 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 utilizar fuentes de energía alternativas. Una forma de generar electricidad es convertir la energía solar mediante fotocélulas. La gente aprendió que es posible utilizar la energía solar hace relativamente mucho tiempo, pero comenzó a desarrollarla activamente solo en los últimos 20 años. En los últimos años, gracias a la investigación en curso, el uso de nuevos materiales y soluciones de diseño creativas, 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 obtenerla mediante plantas de energía solar.

Energía solar

La energía solar es una de las fuentes de generación de electricidad de forma no tradicional, por lo que se cataloga como una fuente de energía alternativa. 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... Al transformar la energía solar no se liberan subproductos nocivos, pero la energía solar también es una fuente de energía alternativa que se renueva automáticamente.

Cómo funciona la energía solar

Teóricamente, no es difícil calcular cuánta energía se puede obtener del flujo de energía solar, se sabe desde hace mucho tiempo 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. Esta es una opción ideal en condiciones ideales, que, como sabemos, son prácticamente imposibles de lograr. Así, tras atravesar la atmósfera, el flujo máximo que se podrá obtener será en el ecuador y será de 1020 W/m², pero el valor medio diario que podremos obtener será 3 veces menor debido al cambio de día y noche. y el cambio en el ángulo de incidencia del flujo solar. Y en latitudes templadas, el cambio de día y noche también va acompañado de un cambio de estaciones, y con ello un cambio en la duración de las horas de luz, por lo que 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 está ganando impulso cada año, pero intentemos seguir la dinámica de su desarrollo. En 1985, la capacidad solar mundial era de sólo 0,021 GW. En 2005 ya ascendían a 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 la gente comenzó a interesarse activamente en la investigación y desarrollo de sistemas eléctricos alimentados por energía solar. Otras dinámicas no dejan 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 Estados Unidos tienen la palma en el uso de la energía solar; sólo en los Estados Unidos y Alemania trabajan más de 100 mil personas cada uno en la esfera de producción y operación. Además, 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 células solares, es como el fabricante de células solares está aumentando el ritmo de producción desde año a año.

Ventajas y desventajas del uso de energía solar.

Ventajas: 1) respeto al medio ambiente: no contamina el medio ambiente; 2) disponibilidad: las fotocélulas están disponibles para la venta no solo para uso industrial, sino también para la creación de miniplantas privadas de energía solar; 3) inagotabilidad y autorrenovación de la fuente de energía; 4) costo de producción de electricidad en constante disminución.
Defectos: 1) el impacto de las condiciones climáticas y la hora del día en la productividad; 2) para conservar energía es necesario acumularla; 3) menor productividad en latitudes templadas debido al 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 la contaminación, y esto es problemático debido a las grandes áreas que ocupa la instalación de las fotocélulas; 6) También podemos hablar del costo relativamente alto de los equipos, aunque cada año el costo disminuye, hasta ahora no es necesario 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 por su escala y sus soluciones técnicas. Además, la investigación científica encaminada a aumentar la eficiencia de las fotocélulas no se detiene. Los científicos han calculado que si cubrimos la superficie del planeta Tierra en un 0,07%, con una eficiencia de las fotocélulas del 10%, tendremos energía suficiente para satisfacer más del 100% todas las necesidades de la humanidad. Hoy en día ya se utilizan fotocélulas con una eficiencia del 30%. Según los datos de la investigación, se sabe que las ambiciones de los científicos prometen llevarla al 85%.

Plantas de energía solar

Las plantas de energía solar son estructuras cuya tarea es convertir los flujos de energía solar en energía eléctrica. Los tamaños de las plantas de energía solar pueden variar, desde minicentrales privadas con varios paneles solares hasta plantas enormes que ocupan superficies de más de 10 km².

¿Qué tipos de plantas de energía solar existen?

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. Se acostumbra dividir todas las plantas de energía solar en varios tipos:
1. Centrales solares tipo torre.
2. Plantas de energía solar, donde los paneles solares son células fotovoltaicas.
3. Plantas de energía solar parabólica.
4. Centrales solares parabólicas.
5. Centrales solares del tipo solar-vacío.
6. Centrales solares de tipo mixto.

Plantas de energía solar de tipo torre.

Un tipo muy común de diseño de centrales eléctricas. Es una estructura de torre alta en la parte superior con un depósito de agua pintado de negro para atraer mejor la luz solar reflejada. Alrededor de la torre hay grandes espejos con una superficie de más de 2 m² ubicados en círculo, todos están conectados a un único sistema de control que monitorea el cambio de ángulo de los espejos para que siempre reflejen la luz del sol y la dirijan directamente. al tanque de agua ubicado en la parte superior de la torre. Así, la luz solar reflejada calienta el agua, que forma vapor, que luego mediante bombas se suministra al 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 potencia de la planta de energía solar y, por regla general, comienza desde 15 m, y la altura de la más grande hoy es de 140 m. Este tipo de planta de energía solar es muy común y el preferido. por muchos países por su alta eficiencia del 20%.

Plantas de energía solar de tipo fotocélula.

Las fotocélulas (baterías solares) se utilizan para convertir el flujo solar en electricidad. Este tipo de centrales eléctricas 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 suministrar 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 parabólicas

Este tipo de centrales solares parecen enormes antenas parabólicas, cuyo interior está cubierto con placas de espejo. El principio por el cual 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 desde toda la superficie del espejo, se concentren en el centro, donde se ubica el receptor con un líquido que se calienta formando vapor, que a su vez La cola es el motor de pequeños generadores.

Plantas de energía solar de placas.

El principio de funcionamiento y el método de generación de electricidad son idénticos a los de las plantas de energía solar parabólica y de torre. La única diferencia son las características de diseño. Una estructura estacionaria, un poco como un árbol de metal gigante, sostiene espejos planos y redondos que concentran la energía del sol en un receptor.

Plantas de energía solar de tipo solar-vacío.

Esta es una forma muy inusual de aprovechar la energía solar y las diferencias de temperatura. La estructura de la central eléctrica consta de un terreno circular con techo de cristal y una torre en el centro. La torre es hueca por dentro, en su base hay varias turbinas que giran gracias al flujo de aire surgido por la diferencia de temperatura. A través del techo de cristal, el sol calienta el suelo y el aire dentro de la habitación, y el edificio se comunica con el exterior a través de una tubería, y como la temperatura del aire fuera de la habitación es mucho más baja, se crea una corriente de aire que aumenta al aumentar la temperatura. diferencia. Así, por la noche las turbinas generan más electricidad que durante el día.

Plantas solares mixtas

Esto ocurre cuando las plantas de energía solar de un determinado tipo utilizan, por ejemplo, colectores solares como elementos auxiliares para proporcionar agua caliente y calor a los objetos, o es posible utilizar secciones de fotocélulas simultáneamente en una planta de energía de 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 y el desastre ambiental que se aproxima. 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 de 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.

El sol es una fuente de energía inagotable, respetuosa con el medio ambiente y barata. Como dicen los expertos, la cantidad de energía solar que llega a la superficie de la Tierra durante una semana supera la energía de todas las reservas mundiales de petróleo, gas, carbón y uranio 1 . Según el académico Zh.I. Alferova, “la humanidad tiene un reactor termonuclear natural confiable: el Sol. Se trata de una estrella de clase “F-2”, muy media, de las que hay hasta 150 mil millones en la Galaxia. Pero esta es nuestra estrella y envía a la Tierra enormes poderes, cuya transformación permitirá satisfacer casi todas las necesidades energéticas de la humanidad durante muchos cientos de años”. Además, la energía solar es “limpia” y no tiene un impacto negativo en la ecología del planeta 2.

Un punto importante es el hecho de que la materia prima para la fabricación de células solares es uno de los elementos más comunes: el silicio. En la corteza terrestre, el silicio es el segundo elemento después del oxígeno (29,5% en masa) 3 . Según muchos científicos, el silicio es el “petróleo del siglo XXI”: en 30 años, un kilogramo de silicio en una planta fotovoltaica produce tanta electricidad como 75 toneladas de petróleo en una central térmica.

Sin embargo, algunos expertos creen que la energía solar no puede considerarse respetuosa con el medio ambiente debido a que la producción de silicio puro para baterías fotográficas es una producción muy “sucia” y que consume mucha energía. Además, la construcción de plantas de energía solar requiere la asignación de vastos terrenos, comparables en superficie a los embalses de las centrales hidroeléctricas. Según los expertos, otra desventaja de la energía solar es su alta volatilidad. Garantizar el funcionamiento eficiente del sistema energético, cuyos elementos son plantas de energía solar, es posible siempre que:
- la presencia de importantes capacidades de reserva que utilizan fuentes de energía tradicionales, que pueden conectarse por la noche o en días nublados;
- llevar a cabo una modernización costosa y a gran escala de las redes eléctricas 4.

A pesar de este inconveniente, la energía solar sigue desarrollándose en todo el mundo. En primer lugar, por el hecho de que la energía radiante será más barata y en unos años se convertirá en un importante competidor del petróleo y el gas.

Actualmente en el mundo existen instalaciones fotovoltaicas, convertir la energía solar en energía eléctrica mediante el método de conversión directa, y instalaciones termodinamicas, en el que la energía solar se convierte primero en calor, luego en energía mecánica en el ciclo termodinámico de un motor térmico y luego en energía eléctrica en un generador.

Las células solares como fuente de energía se pueden utilizar:
- en la industria (industria aeronáutica, industria del automóvil, etc.),
- en agricultura,
- en el ámbito doméstico,
- en el sector de la construcción (por ejemplo, casas ecológicas),
- en plantas de energía solar,
- en sistemas autónomos de videovigilancia,
- en sistemas de iluminación autónomos,
- en la industria espacial.

Según el Instituto de Estrategia Energética, el potencial teórico de la energía solar en Rusia es de más de 2.300 millones de toneladas de combustible estándar, el potencial económico es de 12,5 millones de toneladas de combustible equivalente. El potencial de la energía solar que ingresa al territorio de Rusia en tres días supera la energía de toda la producción eléctrica anual de nuestro país.
Debido a la ubicación de Rusia (entre 41 y 82 grados de latitud norte), el nivel de radiación solar varía significativamente: desde 810 kWh/m2 por año en las remotas regiones del norte hasta 1400 kWh/m2 por año en las regiones del sur. El nivel de radiación solar también se ve influenciado por grandes fluctuaciones estacionales: a una anchura de 55 grados, la radiación solar en enero es de 1,69 kWh/m2 y en julio, de 11,41 kWh/m2 por día.

El potencial de energía solar es mayor en el suroeste (Cáucaso septentrional, mar Negro y Caspio), así como en el sur de Siberia y el Lejano Oriente.

Las regiones más prometedoras en términos de uso de energía solar: Kalmykia, Territorio de Stavropol, Región de Rostov, Territorio de Krasnodar, Región de Volgogrado, Región de Astracán y otras regiones del suroeste, Altai, Primorye, Región de Chita, Buriatia y otras regiones del sureste. . Además, algunas zonas de Siberia occidental y oriental y del Lejano Oriente superan el nivel de radiación solar de las regiones del sur. Por ejemplo, en Irkutsk (52 grados de latitud norte) el nivel de radiación solar alcanza los 1340 kWh/m2, mientras que en la República de Yakutia-Sakha (62 grados de latitud norte) esta cifra es de 1290 kWh/m2. 5

Actualmente, Rusia cuenta con tecnologías avanzadas para convertir la energía solar en energía eléctrica. Hay una serie de empresas y organizaciones que han desarrollado y están mejorando las tecnologías de los convertidores fotoeléctricos: tanto de silicio como de estructuras multiunión. Hay una serie de avances en el uso de sistemas de concentración para plantas de energía solar.

El marco legislativo para apoyar el desarrollo de la energía solar en Rusia está en sus inicios. Sin embargo, ya se han dado los primeros pasos:
- 3 de julio de 2008: Decreto del Gobierno Nº 426 "Sobre la calificación de una instalación de generación que funcione sobre la base del uso de fuentes de energía renovables";
- 8 de enero de 2009: Orden del Gobierno de la Federación de Rusia Nº 1-r “Sobre las principales direcciones de la política estatal en el ámbito de la mejora de la eficiencia energética de la industria eléctrica basada en el uso de fuentes de energía renovables para el período hasta 2020”

Se aprobaron objetivos para aumentar la proporción de fuentes de energía renovables en el nivel general del balance energético ruso hasta el 2,5% y el 4,5%, respectivamente, para 2015 y 2020 6 .

Según diversas estimaciones, actualmente en Rusia el volumen total de capacidad instalada de generación solar no supera los 5 MW, la mayor parte de los cuales corresponde a los hogares. La instalación industrial más grande de energía solar rusa es una planta de energía solar en la región de Belgorod con una capacidad de 100 kW, puesta en funcionamiento en 2010 (a modo de comparación, la planta de energía solar más grande del mundo se encuentra en Canadá con una capacidad de 80.000 kW). .

Actualmente se están ejecutando dos proyectos en Rusia: la construcción de parques solares en el territorio de Stavropol (capacidad - 12 MW) y en la República de Daguestán (10 MW) 7 . A pesar de la falta de apoyo a las energías renovables, varias empresas están implementando proyectos de energía solar a pequeña escala. Por ejemplo, Sakhaenergo instaló una pequeña central en Yakutia con una capacidad de 10 kW.

En Moscú hay pequeñas instalaciones: en Leontyevsky Lane y Michurinsky Prospekt, las entradas y patios de varias casas se iluminan con módulos solares, lo que ha reducido los costes de iluminación en un 25%. En la calle Timiryazevskaya, en el techo de una de las paradas de autobús, se han instalado paneles solares que garantizan el funcionamiento del sistema de transporte de referencia e información y de Wi-Fi.

El desarrollo de la energía solar en Rusia se debe a varios factores:

1) condiciones climáticas: este factor influye no sólo en el año en que se logra la paridad de red, sino también en la elección de la tecnología de instalación solar que mejor se adapta a una región en particular;

2)apoyo gubernamental: La presencia de incentivos económicos legalmente establecidos para la energía solar es fundamental para
su desarrollo. Entre los tipos de apoyo gubernamental que se utilizan con éxito en varios países de Europa y EE. UU., podemos destacar: tarifas preferenciales para plantas de energía solar, subsidios para la construcción de plantas de energía solar, diversas opciones de exenciones fiscales, compensación por parte de los costes del servicio de préstamos para la compra de instalaciones solares;

3)Coste de PVEU (instalaciones solares fotovoltaicas): Hoy en día, las plantas de energía solar son una de las tecnologías de generación de electricidad más caras que se utilizan. Sin embargo, a medida que disminuye el coste de 1 kWh de electricidad generada, la energía solar se vuelve competitiva. La demanda de plantas de energía solar depende de la reducción del coste de 1W de potencia instalada de las plantas de energía solar (~$3000 en 2010). La reducción de costos se logra aumentando la eficiencia, reduciendo los costos tecnológicos y reduciendo la rentabilidad de la producción (la influencia de la competencia). El potencial de reducción del coste de 1 kW de energía depende de la tecnología y oscila entre el 5% y el 15% anual;

4) estándares ambientales: El mercado de la energía solar puede verse afectado positivamente por el endurecimiento de las normas medioambientales (restricciones y multas) debido a una posible revisión del Protocolo de Kioto. Mejorar los mecanismos de venta de cuotas de emisión puede proporcionar un nuevo incentivo económico para el mercado PVEM;

5) Balance de oferta y demanda de electricidad: Implementación de planes ambiciosos existentes para la construcción y reconstrucción de redes de generación y energía.
La capacidad de las empresas escindidas de RAO UES de Rusia durante la reforma industrial aumentará significativamente el suministro de electricidad y puede aumentar la presión sobre los precios.
en el mercado mayorista. Sin embargo, la retirada de capacidad antigua y un aumento simultáneo de la demanda implicarán un aumento de los precios;

6)presencia de problemas con la conexión tecnológica: Los retrasos en la ejecución de las solicitudes de conexión tecnológica al sistema de suministro de energía centralizado son un incentivo para la transición a fuentes de energía alternativas, incluido el PVEU. Estos retrasos están determinados tanto por una falta objetiva de capacidad como por la ineficacia de la organización de la conexión tecnológica por parte de las empresas de la red o por la falta de financiación de la conexión tecnológica por parte de la tarifa;

7) iniciativas de las autoridades locales: Los gobiernos regionales y municipales pueden implementar sus propios programas para desarrollar la energía solar o, más ampliamente, fuentes de energía renovables/no tradicionales. Hoy en día, estos programas ya se están aplicando en los territorios de Krasnoyarsk y Krasnodar, en la República de Buriatia, etc.;

8) desarrollo de producción propia: La producción rusa de plantas de energía solar puede tener un impacto positivo en el desarrollo del consumo de energía solar en Rusia. En primer lugar, gracias a nuestra propia producción, aumenta la conciencia general de la población sobre la disponibilidad de las tecnologías solares y su popularidad. En segundo lugar, el coste del SFEU para los consumidores finales se reduce reduciendo los eslabones intermedios de la cadena de distribución y reduciendo el componente de transporte 8 .

Energía solar

Parámetros de radiación solar

En primer lugar, es necesario evaluar las capacidades energéticas potenciales de la radiación solar. En este caso, lo más importante es su potencia específica total en la superficie de la Tierra y la distribución de esta potencia en diferentes rangos de radiación.

Energía de radiación solar

La potencia de radiación del Sol, situado en el cenit, sobre la superficie de la Tierra se estima en aproximadamente 1350 W/m2. Un sencillo cálculo demuestra que para obtener una potencia de 10 kW es necesario captar la radiación solar de una superficie de sólo 7,5 m2. Pero esto ocurre en una tarde clara en una zona tropical en lo alto de las montañas, donde la atmósfera es enrarecida y cristalina. Tan pronto como el Sol comienza a inclinarse hacia el horizonte, la trayectoria de sus rayos a través de la atmósfera aumenta y, en consecuencia, aumentan las pérdidas a lo largo de esta trayectoria. La presencia de polvo o vapor de agua en la atmósfera, incluso en cantidades imperceptibles sin instrumentos especiales, reduce aún más el flujo de energía. Sin embargo, incluso en la zona media de una tarde de verano, por cada metro cuadrado orientado perpendicularmente a los rayos del sol, hay un flujo de energía solar con una potencia de aproximadamente 1 kW.

Por supuesto, incluso una capa de nubes ligera reduce drásticamente la energía que llega a la superficie, especialmente en el rango infrarrojo (térmico). Sin embargo, todavía algo de energía atraviesa las nubes. En la zona media, con nubes densas al mediodía, la potencia de la radiación solar que llega a la superficie terrestre se estima en aproximadamente 100 W/m2, y sólo en casos raros, con nubes particularmente densas, puede caer por debajo de este valor. Obviamente, en tales condiciones, para obtener 10 kW es necesario recolectar completamente, sin pérdidas ni reflejos, la radiación solar no de 7,5 m2 de la superficie terrestre, sino de cien metros cuadrados (100 m2).

La tabla muestra breves datos promediados sobre la energía de la radiación solar para algunas ciudades rusas, teniendo en cuenta las condiciones climáticas (frecuencia e intensidad de la nubosidad) por unidad de superficie horizontal. Los detalles de estos datos, datos adicionales para orientaciones de panel distintas de la horizontal, así como datos de otras regiones de Rusia y los países de la ex URSS se proporcionan en una página separada.

Un panel fijo, colocado en un ángulo de inclinación óptimo, es capaz de absorber 1,2 .. 1,4 veces más energía que uno horizontal, y si gira detrás del Sol, el aumento será de 1,4 .. 1,8 veces. Esto se puede ver, desglosado por mes, para paneles fijos orientados al sur con diferentes ángulos de inclinación y para sistemas que siguen el movimiento del Sol. Las características de la colocación de paneles solares se analizan con más detalle a continuación.

Radiación solar directa y difusa

Hay radiación solar difusa y directa. Para percibir eficazmente la radiación solar directa, el panel debe estar orientado perpendicular al flujo de luz solar. Para la percepción de la radiación dispersa, la orientación no es tan crítica, ya que proviene de manera bastante uniforme de casi todo el cielo; así es como se ilumina la superficie de la tierra en los días nublados (por esta razón, en tiempo nublado, los objetos no tienen una clara sombra definida y las superficies verticales, como los pilares y las paredes de las casas, prácticamente no proyectan una sombra visible).

La proporción de radiación directa y difusa depende en gran medida de las condiciones climáticas en las diferentes estaciones. Por ejemplo, el invierno en Moscú es nublado y en enero la proporción de radiación dispersa supera el 90% de la insolación total. Pero incluso en el verano de Moscú, la radiación dispersa constituye casi la mitad de toda la energía solar que llega a la superficie terrestre. Al mismo tiempo, en la soleada Bakú, tanto en invierno como en verano, la proporción de radiación dispersa oscila entre el 19 y el 23% de la insolación total, y alrededor de 4/5 de la radiación solar, respectivamente, es directa. La relación entre la insolación difusa y total de algunas ciudades se proporciona con más detalle en una página aparte.

Distribución de energía en el espectro solar.

El espectro solar es prácticamente continuo en una gama extremadamente amplia de frecuencias, desde ondas de radio de baja frecuencia hasta rayos X de frecuencia ultraalta y radiación gamma. Por supuesto, es difícil capturar tipos de radiación tan diferentes con la misma eficacia (quizás esto sólo se pueda lograr teóricamente con la ayuda de un "cuerpo negro ideal"). Pero esto no es necesario: en primer lugar, el Sol mismo emite en diferentes rangos de frecuencia con diferentes intensidades y, en segundo lugar, no todo lo que emite el Sol llega a la superficie de la Tierra; ciertas partes del espectro son absorbidas en gran medida por diferentes componentes de la atmósfera, principalmente capa de ozono, vapor de agua y dióxido de carbono.

Por tanto, nos basta con determinar aquellos rangos de frecuencia en los que se observa el mayor flujo de energía solar en la superficie de la Tierra y utilizarlos. Tradicionalmente, la radiación solar y la cósmica no se separan por frecuencia, sino por longitud de onda (esto se debe a que los exponentes son demasiado grandes para las frecuencias de esta radiación, lo cual es muy inconveniente: la luz visible en Hertz corresponde al orden 14). Veamos la dependencia de la distribución de energía de la longitud de onda de la radiación solar.

Se considera que el rango de luz visible es el rango de longitud de onda de 380 nm (violeta intenso) a 760 nm (rojo intenso). Todo lo que tiene una longitud de onda más corta tiene mayor energía fotónica y se divide en rangos de radiación ultravioleta, rayos X y gamma. A pesar de la alta energía de los fotones, no hay tantos fotones en estos rangos, por lo que la contribución total de energía de esta parte del espectro es muy pequeña. Todo lo que tiene una longitud de onda más larga tiene menor energía fotónica en comparación con la luz visible y se divide en el rango infrarrojo (radiación térmica) y varias partes del rango de radio. El gráfico muestra que en el rango infrarrojo el Sol emite casi la misma cantidad de energía que en el visible (los niveles son menores, pero el rango es más amplio), pero en el rango de radiofrecuencia la energía de radiación es muy pequeña.

Por lo tanto, desde el punto de vista energético, nos basta con limitarnos a los rangos de frecuencia visible e infrarrojo, así como al ultravioleta cercano (en algún lugar hasta los 300 nm, el ultravioleta duro de longitud de onda más corta se absorbe casi por completo en el llamado capa de ozono, asegurando la síntesis de este mismo ozono a partir del oxígeno atmosférico) . Y la mayor parte de la energía solar que llega a la superficie de la Tierra se concentra en el rango de longitud de onda de 300 a 1800 nm.

Limitaciones al utilizar energía solar.

Las principales limitaciones asociadas con el uso de la energía solar se deben a su inconsistencia: las instalaciones solares no funcionan de noche y son ineficaces en tiempo nublado. Esto es obvio para casi todo el mundo.

Sin embargo, hay una circunstancia más que es especialmente relevante para nuestras latitudes más septentrionales: las diferencias estacionales en la duración del día. Si en las zonas tropicales y ecuatoriales la duración del día y la noche depende ligeramente de la época del año, entonces ya en la latitud de Moscú el día más corto es casi 2,5 veces más corto que el más largo. Ni siquiera hablo de las regiones circumpolares... Como resultado, en un día claro de verano, una instalación solar cerca de Moscú puede producir no menos energía que en el ecuador (el sol está más bajo, pero el día es más largo). Sin embargo, en invierno, cuando la necesidad de energía es especialmente alta, su producción, por el contrario, disminuirá varias veces. De hecho, además de las cortas horas de luz, los rayos del sol bajo en invierno, incluso al mediodía, deben atravesar una capa mucho más gruesa de la atmósfera y, por lo tanto, pierden mucha más energía en este camino que en verano, cuando el sol está alto. y los rayos atraviesan la atmósfera casi verticalmente (la expresión "sol frío de invierno "tiene el significado físico más directo). Sin embargo, esto no significa que las instalaciones solares en la zona media e incluso en zonas mucho más al norte sean completamente inútiles, aunque son de poca utilidad en invierno, durante el período de días largos, al menos seis meses entre los equinoccios de primavera y otoño. , son bastante efectivos .

Particularmente interesante es el uso de instalaciones solares para alimentar los cada vez más extendidos, pero muy “glotones”, aparatos de aire acondicionado. Después de todo, cuanto más fuerte brilla el sol, más calor hace y más aire acondicionado se necesita. Pero en tales condiciones, las instalaciones solares también son capaces de generar más energía, y esta energía será utilizada por el aire acondicionado “aquí y ahora”, ¡no es necesario acumularla ni almacenarla! Además, no es necesario convertir la energía en forma eléctrica: los motores térmicos de absorción utilizan el calor directamente, lo que significa que en lugar de baterías fotovoltaicas se pueden utilizar colectores solares, que son más eficaces en climas despejados y cálidos. Es cierto que creo que los acondicionadores de aire son indispensables sólo en regiones cálidas y sin agua y en climas tropicales húmedos, así como en las ciudades modernas, independientemente de su ubicación. Una casa de campo bien diseñada y construida, no solo en la zona media, sino también en la mayor parte del sur de Rusia, no necesita un dispositivo tan voluminoso, ruidoso y caprichoso que consuma mucha energía.

Desgraciadamente, en las zonas urbanas el uso individual de instalaciones solares más o menos potentes con beneficios prácticos apreciables sólo es posible en casos excepcionales y en circunstancias especialmente favorables. Sin embargo, no considero que un apartamento de la ciudad sea una vivienda de pleno derecho, ya que su funcionamiento normal depende de demasiados factores que no están disponibles para el control directo de los residentes por razones puramente técnicas y, por lo tanto, en caso de falla de al menos uno de los sistemas de soporte vital durante más o menos tiempo. En un edificio de apartamentos moderno, las condiciones allí no serán aceptables para vivir (más bien, un apartamento en un edificio de gran altura debería considerarse como una especie de habitación de hotel, que los residentes compraron para uso indefinido o alquilaron al municipio). Pero fuera de la ciudad, una atención especial a la energía solar puede estar más que justificada incluso en una pequeña parcela de 6 acres.

Características de la colocación de paneles solares.

Elegir la orientación óptima de los paneles solares es una de las cuestiones más importantes en el uso práctico de instalaciones solares de cualquier tipo. Lamentablemente, este aspecto se discute muy poco en varios sitios dedicados a la energía solar, aunque descuidarlo puede reducir la eficiencia de los paneles a niveles inaceptables.

El caso es que el ángulo de incidencia de los rayos sobre la superficie influye en gran medida en el coeficiente de reflexión y, por tanto, en la proporción de energía solar no receptiva. Por ejemplo, en el caso del vidrio, cuando el ángulo de incidencia se desvía de la perpendicular a su superficie hasta 30°, el coeficiente de reflexión prácticamente no cambia y es ligeramente inferior al 5%, es decir más del 95% de la radiación incidente pasa hacia el interior. Además, el aumento de la reflexión se vuelve notable y a 60° la proporción de radiación reflejada se duplica, casi hasta el 10%. En un ángulo de incidencia de 70° se refleja aproximadamente el 20% de la radiación, y en un ángulo de 80°, el 40%. Para la mayoría de las demás sustancias, la dependencia del grado de reflexión del ángulo de incidencia es aproximadamente la misma.

Aún más importante es la denominada superficie efectiva del panel, es decir la sección transversal del flujo de radiación que cubre. Es igual al área real del panel multiplicada por el seno del ángulo entre su plano y la dirección del flujo (o, lo que es lo mismo, por el coseno del ángulo entre la perpendicular al panel y la dirección de flujo). Por lo tanto, si el panel es perpendicular al flujo, su área efectiva es igual a su área real, si el flujo se ha desviado de la perpendicular en 60°, es la mitad del área real, y si el flujo es paralelo al panel, su área efectiva es cero. Así, una desviación significativa del flujo respecto de la perpendicular al panel no sólo aumenta la reflexión, sino que reduce su área efectiva, lo que provoca una caída de producción muy notable.

Evidentemente, para nuestros propósitos, lo más eficaz es una orientación constante del panel perpendicular al flujo de rayos solares. Pero esto requerirá cambiar la posición del panel en dos planos, ya que la posición del Sol en el cielo depende no sólo de la hora del día, sino también de la época del año. Aunque un sistema de este tipo es ciertamente posible desde el punto de vista técnico, es muy complejo y, por tanto, caro y poco fiable.

Sin embargo, recordemos que en ángulos de incidencia de hasta 30°, el coeficiente de reflexión en la interfaz aire-vidrio es mínimo y prácticamente no cambia, y a lo largo de un año, el ángulo de máxima salida del Sol sobre el horizonte se desvía desde la posición promedio en no más de ±23°. El área efectiva del panel con una desviación de 23° de la perpendicular también sigue siendo bastante grande: al menos el 92% de su área real. Por lo tanto, puede centrarse en la altura media anual de la salida máxima del Sol y, prácticamente sin pérdida de eficiencia, limitarse a girar en un solo plano: alrededor del eje polar de la Tierra a una velocidad de 1 revolución por día. . El ángulo de inclinación del eje de dicha rotación con respecto a la horizontal es igual a la latitud geográfica del lugar. Por ejemplo, para Moscú, ubicada a una latitud de 56°, el eje de dicha rotación debe estar inclinado hacia el norte 56° con respecto a la superficie (o, lo que es lo mismo, desviado de la vertical 34°). Esta rotación es mucho más fácil de organizar; sin embargo, un panel grande requiere mucho espacio para girar suavemente. Además, es necesario organizar una conexión deslizante que le permita eliminar toda la energía que recibe del panel en constante rotación, o limitarse a comunicaciones flexibles con una conexión fija, pero garantizar el retorno automático del panel por la noche. - de lo contrario, no se pueden evitar torceduras y roturas de las comunicaciones de eliminación de energía. Ambas soluciones aumentan drásticamente la complejidad y reducen la confiabilidad del sistema. A medida que aumenta la potencia de los paneles (y por tanto su tamaño y peso), los problemas técnicos se vuelven exponencialmente más complejos.

En relación con todo lo anterior, casi siempre los paneles de las instalaciones solares individuales se montan de forma inmóvil, lo que garantiza un coste relativo y la máxima fiabilidad de la instalación. Sin embargo, aquí la elección del ángulo de colocación del panel adquiere especial importancia. Consideremos este problema usando el ejemplo de Moscú.

Veamos los diagramas de insolación para varios ángulos de instalación de paneles. Por supuesto, el panel que gira tras el Sol está fuera de competencia (línea naranja). Sin embargo, incluso en los largos días de verano, su eficiencia supera la eficiencia de los paneles fijos horizontales (azules) e inclinados en un ángulo óptimo (rojo) en sólo aproximadamente un 30%. ¡Pero hoy en día hay suficiente calor y luz! Pero durante el período de mayor déficit energético, de octubre a febrero, la ventaja de un panel giratorio sobre uno fijo es mínima y casi imperceptible. Es cierto que en este momento la compañía del panel inclinado no es un panel horizontal, sino vertical (línea verde). Y esto no es sorprendente: los rayos bajos del sol invernal se deslizan a través del panel horizontal, pero son bien percibidos por el panel vertical, que está casi perpendicular a ellos. Por tanto, en febrero, noviembre y diciembre, el panel vertical es más eficaz que incluso el inclinado y casi no se diferencia del giratorio. En marzo y octubre, los días son más largos y el panel giratorio ya comienza a superar con confianza (aunque no mucho) cualquier opción fija, pero la efectividad de los paneles inclinados y verticales es casi la misma. Y sólo durante los días largos de abril a agosto, el panel horizontal supera al vertical en términos de energía recibida y se acerca al inclinado, y en junio lo supera incluso ligeramente. La pérdida del panel vertical en verano es natural; después de todo, digamos, el día del equinoccio de verano dura más de 17 horas en Moscú, y en el hemisferio frontal (de trabajo) del panel vertical el Sol no puede permanecer más de 12 horas, las 5 horas restantes (¡casi un tercio de las horas de luz!) quedaron atrás. Si tenemos en cuenta que en ángulos de incidencia superiores a 60°, la proporción de luz reflejada desde la superficie del panel comienza a crecer rápidamente y su área efectiva se reduce a la mitad o más, entonces el tiempo de percepción efectiva de La radiación solar de un panel de este tipo no supera las 8 horas, es decir, menos del 50 % de la duración total del día. Esto es precisamente lo que explica el hecho de que el rendimiento de los paneles verticales se estabilice durante todo el período de días largos, de marzo a septiembre. Y finalmente, enero se destaca un poco: en este mes el rendimiento de los paneles de todas las orientaciones es casi el mismo. El hecho es que este mes en Moscú está muy nublado, y más del 90% de toda la energía solar proviene de radiación dispersa, y para tal radiación la orientación del panel no es muy importante (lo principal es no dirigirlo hacia el suelo). Sin embargo, algunos días de sol, que todavía se dan en enero, reducen la producción de un panel horizontal en un 20% respecto al resto.

¿Qué ángulo de inclinación deberías elegir? Todo depende de cuándo exactamente necesitas energía solar. Si desea usarlo solo en la estación cálida (por ejemplo, en el campo), debe elegir el llamado ángulo de inclinación "óptimo", perpendicular a la posición promedio del Sol durante el período entre los equinoccios de primavera y otoño. . Es aproximadamente 10°... 15° menos que la latitud geográfica y para Moscú es 40°... 45°. Si necesita energía durante todo el año, entonces debe "exprimir" el máximo en los meses de invierno, en los que hay escasez de energía, lo que significa que debe concentrarse en la posición promedio del Sol entre los equinoccios de otoño y primavera y colocar los paneles más cerca de la vertical - 5° .. 15° más que la latitud geográfica (para Moscú será 60° .. 70°). Si, por razones arquitectónicas o de diseño, es imposible mantener dicho ángulo y debe elegir entre un ángulo de inclinación de 40° o menos o una instalación vertical, deberá preferir la posición vertical. Al mismo tiempo, la "escasez" de energía durante los largos días de verano no es tan crítica: durante este período hay mucho calor y luz naturales, y la necesidad de producción de energía no suele ser tan grande como en invierno y en el invierno. -estación. Naturalmente, la inclinación del panel debe estar orientada hacia el sur, aunque una desviación de esta dirección de 10° a 15° hacia el este u oeste cambia poco y, por lo tanto, es bastante aceptable.

La colocación horizontal de paneles solares en toda Rusia es ineficaz y completamente injustificada. Además de una disminución demasiado grande de la producción de energía en el período otoño-invierno, en los paneles horizontales se acumula intensamente polvo, y también nieve en invierno, de los cuales sólo se puede eliminar mediante una limpieza especialmente organizada (generalmente manualmente). Si la pendiente del panel supera los 60°, la nieve en su superficie no permanece mucho y, por lo general, se desmorona rápidamente por sí sola, y la lluvia elimina fácilmente la fina capa de polvo.

Dado que los precios de los equipos solares han estado bajando recientemente, puede resultar ventajoso, en lugar de un único campo de paneles solares orientado al sur, utilizar dos con una potencia total mayor, orientados al lado adyacente (sureste y suroeste) e incluso opuesto (este). y oeste) direcciones cardinales. Esto garantizará una producción más uniforme en los días soleados y una mayor producción en los días nublados, mientras que el resto del equipo seguirá diseñado para la misma potencia relativamente baja y, por tanto, será más compacto y económico.

Y una última cosa. El vidrio, cuya superficie no es lisa, pero tiene un relieve especial, es capaz de percibir la luz lateral de manera mucho más eficiente y transmitirla a los elementos de trabajo del panel solar. Lo más óptimo parece ser un relieve ondulado con la orientación de protuberancias y depresiones de norte a sur (para paneles verticales, de arriba a abajo), una especie de lente lineal. El vidrio corrugado puede incrementar la producción de un panel fijo en un 5% o más.

Tipos tradicionales de instalaciones de energía solar

De vez en cuando hay informes sobre la construcción de otra planta de energía solar (SPP) o planta desalinizadora. Los colectores solares térmicos y los paneles solares fotovoltaicos se utilizan en todo el mundo, desde África hasta Escandinavia. Estos métodos de utilización de la energía solar se han desarrollado durante décadas y muchos sitios en Internet están dedicados a ellos. Por tanto, aquí los consideraré en términos muy generales. Sin embargo, un punto importante prácticamente no se trata en Internet: la elección de parámetros específicos al crear un sistema de suministro de energía solar individual. Mientras tanto, esta cuestión no es tan sencilla como parece a primera vista. En una página aparte se proporciona un ejemplo de cómo elegir parámetros para un sistema de energía solar.

Paneles solares

En términos generales, se puede entender por “batería solar” cualquier conjunto de módulos idénticos que perciben la radiación solar y se combinan en un solo dispositivo, incluidos los puramente térmicos, pero tradicionalmente este término se ha asignado específicamente a los paneles convertidores fotoeléctricos. Por tanto, el término “batería solar” casi siempre se refiere a un dispositivo fotovoltaico que convierte directamente la radiación solar en corriente eléctrica. Esta tecnología se ha desarrollado activamente desde mediados del siglo XX. Un gran incentivo para su desarrollo fue la exploración del espacio exterior, donde actualmente las baterías solares sólo pueden competir con fuentes de energía nuclear de pequeño tamaño en términos de energía producida y tiempo de funcionamiento. Durante este tiempo, la eficiencia de conversión de las baterías solares aumentó del uno o dos por ciento al 17% o más en modelos relativamente baratos producidos en masa y más del 42% en prototipos. La vida útil y la fiabilidad operativa han aumentado significativamente.

Ventajas de los paneles solares

La principal ventaja de los paneles solares es su extrema simplicidad de diseño y la ausencia total de piezas móviles. El resultado es un peso específico bajo y sencillez combinados con una alta confiabilidad, así como la instalación más simple posible y requisitos mínimos de mantenimiento durante el funcionamiento (normalmente basta con eliminar la suciedad de la superficie de trabajo a medida que se acumula). Al ser elementos planos de pequeño espesor, se colocan con bastante éxito en la pendiente del techo mirando al sol o en la pared de una casa, prácticamente sin requerir espacio adicional ni la construcción de estructuras voluminosas separadas. La única condición es que nada los oculte durante el mayor tiempo posible.

Otra ventaja importante es que la energía se genera inmediatamente en forma de electricidad, de la forma más universal y cómoda hasta la fecha.

Desafortunadamente, nada dura para siempre: la eficiencia de los convertidores fotovoltaicos disminuye a lo largo de su vida útil. Las obleas semiconductoras que normalmente componen las células solares se degradan con el tiempo y pierden sus propiedades, por lo que la ya no muy alta eficiencia de las células solares se vuelve aún menor. La exposición prolongada a altas temperaturas acelera este proceso. Al principio me di cuenta de que esto era un inconveniente de las baterías fotovoltaicas, sobre todo porque las células fotovoltaicas "muertas" no se pueden restaurar. Sin embargo, es poco probable que cualquier generador eléctrico mecánico pueda demostrar al menos un 1% de eficiencia después de solo 10 años de funcionamiento continuo; lo más probable es que requiera reparaciones serias mucho antes debido al desgaste mecánico, si no de los cojinetes, sí de las escobillas. - y los fotoconvertidores modernos pueden mantener su eficiencia durante décadas. Según estimaciones optimistas, en 25 años la eficiencia de una batería solar disminuye sólo un 10%, lo que significa que si no intervienen otros factores, incluso después de 100 años se mantendrá casi 2/3 de la eficiencia original. Sin embargo, para las células fotovoltaicas comerciales basadas en silicio policristalino y monocristalino, los fabricantes y vendedores honestos dan cifras de envejecimiento ligeramente diferentes: después de 20 años se debe esperar una pérdida de hasta el 20% de la eficiencia (luego, en teoría, después de 40 años la eficiencia será 2/3 de la original, reducida a la mitad en 60 años, y después de 100 años quedará algo menos de 1/3 de la productividad original). En general, la vida útil normal de los fotoconvertidores modernos es de al menos 25...30 años, por lo que la degradación no es tan crítica, y es mucho más importante limpiarles el polvo oportunamente...

Si las baterías se instalan de tal manera que el polvo natural esté prácticamente ausente o sea rápidamente arrastrado por las lluvias naturales, podrán funcionar sin ningún mantenimiento durante muchos años. La capacidad de funcionar durante tanto tiempo en modo sin mantenimiento es otra gran ventaja.

Por último, los paneles solares son capaces de producir energía desde el amanecer hasta el anochecer, incluso en tiempo nublado, cuando los colectores solares térmicos difieren sólo ligeramente de la temperatura ambiente. Por supuesto, en comparación con un día claro y soleado, su productividad disminuye muchas veces, ¡pero algo es mejor que nada! En este sentido, resulta de especial interés el desarrollo de baterías con máxima conversión de energía en aquellas zonas donde las nubes absorben menos radiación solar. Además, al elegir fotoconvertidores solares, debe prestar atención a la dependencia del voltaje que producen de la iluminación: debe ser lo más pequeño posible (cuando la iluminación disminuye, primero debe caer la corriente, no el voltaje, porque de lo contrario, Para obtener al menos algún efecto útil en días nublados, será necesario utilizar costosos equipos adicionales que aumenten a la fuerza el voltaje al mínimo suficiente para cargar las baterías y operar los inversores).

Desventajas de los paneles solares.

Por supuesto, los paneles solares tienen muchas desventajas. Además de depender del clima y la hora del día, se puede señalar lo siguiente.

Baja eficiencia. El mismo colector solar, con la elección correcta de la forma y el material de la superficie, es capaz de absorber casi toda la radiación solar que incide sobre él en casi todo el espectro de frecuencias que transportan energía notable, desde el infrarrojo lejano hasta el ultravioleta. Las baterías solares convierten la energía de forma selectiva: para la excitación funcional de los átomos se necesitan determinadas energías de los fotones (frecuencias de radiación), por lo que en algunas bandas de frecuencia la conversión es muy eficaz, mientras que en otros rangos de frecuencia son inútiles. Además, la energía de los fotones capturados por ellos se utiliza cuánticamente: su "exceso", que excede el nivel requerido, se destina a calentar el material del fotoconvertidor, lo que en este caso es perjudicial. Esto es en gran medida lo que explica su baja eficiencia.
Por cierto, si elige el material de recubrimiento protector incorrecto, puede reducir significativamente la eficiencia de la batería. El asunto se ve agravado por el hecho de que el vidrio ordinario absorbe bastante bien la parte ultravioleta de alta energía del rango, y para algunos tipos de fotocélulas este rango es muy relevante: la energía de los fotones infrarrojos es demasiado baja para ellos.

Sensibilidad a las altas temperaturas. A medida que aumentan las temperaturas, la eficiencia de las células solares, como casi todos los demás dispositivos semiconductores, disminuye. A temperaturas superiores a 100...125°C, pueden perder temporalmente su funcionalidad y un calentamiento aún mayor amenaza con dañarlos irreversiblemente. Además, las temperaturas elevadas aceleran la degradación de las fotocélulas. Por lo tanto, es necesario tomar todas las medidas para reducir el calentamiento inevitable bajo los abrasadores rayos directos del sol. Normalmente, los fabricantes limitan el rango de temperatura nominal de funcionamiento de las fotocélulas a +70°...+90°C (esto significa calentamiento de los elementos mismos y la temperatura ambiente, naturalmente, debe ser mucho menor).
Para complicar aún más la situación, la superficie sensible de las fotocélulas bastante frágiles suele estar cubierta con un vidrio protector o plástico transparente. Si queda un espacio de aire entre la cubierta protectora y la superficie de la fotocélula, se forma una especie de "invernadero", lo que agrava el sobrecalentamiento. Es cierto que al aumentar la distancia entre el vidrio protector y la superficie de la fotocélula y conectar esta cavidad con la atmósfera de arriba y de abajo, es posible organizar un flujo de aire por convección que enfríe naturalmente las fotocélulas. Sin embargo, a pleno sol y con altas temperaturas exteriores, esto puede no ser suficiente; además, este método contribuye a acelerar la eliminación del polvo de la superficie de trabajo de las fotocélulas. Por lo tanto, incluso una batería solar no muy grande puede requerir un sistema de refrigeración especial. Para ser justos, hay que decir que estos sistemas suelen automatizarse fácilmente y que el accionamiento del ventilador o de la bomba consume sólo una pequeña fracción de la energía generada. En ausencia de sol fuerte, no hay mucha calefacción y no se requiere refrigeración alguna, por lo que la energía ahorrada al accionar el sistema de refrigeración se puede utilizar para otros fines. Cabe señalar que en los paneles modernos fabricados en fábrica, la capa protectora generalmente se adhiere firmemente a la superficie de las fotocélulas y elimina el calor del exterior, pero en los diseños caseros, el contacto mecánico con el vidrio protector puede dañar la fotocélula.

Sensibilidad a las irregularidades de la iluminación. Como regla general, para obtener un voltaje en la salida de la batería más o menos conveniente para su uso (12, 24 o más voltios), las fotocélulas se conectan en circuitos en serie. La corriente en cada uno de estos circuitos y, por lo tanto, su potencia, está determinada por el eslabón más débil: una fotocélula con las peores características o con la iluminación más baja. Por lo tanto, si al menos un elemento de la cadena está en la sombra, esto reduce significativamente el rendimiento de toda la cadena: las pérdidas son desproporcionadas con respecto a la sombra (además, en ausencia de diodos protectores, dicho elemento comenzará a disipar el energía generada por los elementos restantes!). Una reducción desproporcionada en la potencia sólo se puede evitar conectando todas las fotocélulas en paralelo, pero entonces la salida de la batería tendrá demasiada corriente con un voltaje demasiado bajo; normalmente para las fotocélulas individuales es solo de 0,5 a 0,7 V, dependiendo de su tipo. y tamaño de carga.

Sensibilidad a la contaminación. Incluso una capa apenas perceptible de suciedad en la superficie de las células solares o del cristal protector puede absorber una parte importante de la luz solar y reducir significativamente la producción de energía. En una ciudad polvorienta, esto requerirá una limpieza frecuente de la superficie de los paneles solares, especialmente los instalados horizontalmente o en un ligero ángulo. Por supuesto, el mismo procedimiento es necesario después de cada nevada y después de una tormenta de polvo... Sin embargo, lejos de las ciudades, zonas industriales, carreteras transitadas y otras fuertes fuentes de polvo en un ángulo de 45° o más, la lluvia es bastante capaz de eliminando el polvo natural de la superficie de los paneles, manteniéndolos “automáticamente” en un estado bastante limpio. Y en una pendiente así, que también mira al sur, la nieve no suele permanecer mucho tiempo, incluso en días muy helados. Así, lejos de las fuentes de contaminación atmosférica, los paneles solares pueden funcionar con éxito durante años sin ningún tipo de mantenimiento, ¡si tan sólo hubiera sol en el cielo!

Finalmente, el último obstáculo, pero el más importante, para la adopción generalizada de paneles solares fotovoltaicos es su precio bastante elevado. El coste de los elementos de la batería solar es actualmente de al menos 1 $/W (1 kW - $1000), y esto es para modificaciones de baja eficiencia sin tener en cuenta el coste de montaje e instalación de paneles, así como sin tener en cuenta el precio de las baterías, controladores de carga e inversores (convertidores de la corriente continua de bajo voltaje generada a un estándar doméstico o industrial). En la mayoría de los casos, para una estimación mínima de los costos reales, estas cifras deben multiplicarse de 3 a 5 veces cuando se ensamblan con sus propias manos a partir de células solares individuales y de 6 a 10 veces cuando se compran equipos ya preparados (más los costos de instalación).

De todos los elementos de un sistema de suministro de energía que utiliza baterías fotovoltaicas, las baterías tienen la vida útil más corta, pero los fabricantes de baterías modernas sin mantenimiento afirman que en el llamado modo buffer funcionarán durante unos 10 años (o funcionarán los tradicionales 1000 ciclos de carga y descarga intensa (si contamos un ciclo por día, en este modo durarán 3 años). Observo que el costo de las baterías suele ser solo del 10 al 20% del costo total de todo el sistema, y ​​el costo de los inversores y controladores de carga (ambos son productos electrónicos complejos y, por lo tanto, existe cierta probabilidad de que fallen) es incluso menos. Por lo tanto, teniendo en cuenta la larga vida útil y la capacidad de funcionar durante mucho tiempo sin ningún tipo de mantenimiento, los fotoconvertidores pueden amortizarse más de una vez durante su vida, y no sólo en zonas remotas, sino también en zonas pobladas, si la electricidad ¡Los aranceles seguirán creciendo al ritmo actual!

Colectores solares térmicos

El nombre de “colectores solares” se asigna a los dispositivos que utilizan calentamiento directo por calor solar, tanto individuales como apilables (modulares). El ejemplo más simple de un colector solar térmico es un tanque de aguas negras en el techo de la ducha rural mencionada anteriormente (por cierto, la eficiencia de calentar agua en una ducha de verano se puede aumentar significativamente construyendo un mini invernadero alrededor del tanque , al menos de película plástica; es deseable que entre la película y las paredes del tanque (en la parte superior y en los lados) haya un espacio de 4-5 cm).

Sin embargo, los coleccionistas modernos se parecen poco a un tanque de este tipo. Suelen ser estructuras planas hechas de finos tubos ennegrecidos dispuestos en forma de celosía o serpiente. Los tubos se pueden montar sobre una lámina de sustrato conductora de calor ennegrecida, que atrapa el calor solar que ingresa en los espacios entre ellos; esto permite reducir la longitud total de los tubos sin pérdida de eficiencia. Para reducir la pérdida de calor y aumentar la calefacción, la parte superior del colector se puede cubrir con una lámina de vidrio o policarbonato celular transparente, y en el reverso de la lámina distribuidora de calor, una capa de aislamiento térmico evita la pérdida innecesaria de calor, una especie Se obtiene el carácter de “invernadero”. A través del tubo circula agua caliente u otro refrigerante, que puede recogerse en un tanque de almacenamiento con aislamiento térmico. El refrigerante se mueve bajo la acción de una bomba o por gravedad debido a la diferencia en las densidades del refrigerante antes y después del colector térmico. En el último caso, una circulación más o menos eficiente requiere una cuidadosa selección de pendientes y secciones de tubería y una colocación del colector lo más bajo posible. Pero normalmente el colector se coloca en los mismos lugares que la batería solar: en una pared soleada o en una pendiente soleada del tejado, aunque se debe colocar un tanque de almacenamiento adicional en algún lugar. Sin un tanque de este tipo, durante la recuperación intensiva de calor (por ejemplo, si necesita llenar un baño o ducharse), la capacidad del colector puede no ser suficiente y, después de un corto tiempo, saldrá agua ligeramente calentada del grifo.

El vidrio protector, por supuesto, reduce algo la eficiencia del colector, absorbiendo y reflejando varios por ciento de la energía solar, incluso si los rayos caen perpendicularmente. Cuando los rayos inciden sobre el vidrio en un ligero ángulo con respecto a la superficie, el coeficiente de reflexión puede acercarse al 100%. Por lo tanto, en ausencia de viento y con la necesidad de un ligero calentamiento en relación con el aire circundante (de 5 a 10 grados, por ejemplo, para regar un jardín), las estructuras "abiertas" pueden ser más efectivas que las "acristaladas". Pero tan pronto como se requiere una diferencia de temperatura de varias decenas de grados o incluso si se levanta un viento no muy fuerte, la pérdida de calor de las estructuras abiertas aumenta rápidamente y el vidrio protector, con todas sus desventajas, se convierte en una necesidad.

Una nota importante: es necesario tener en cuenta que en un día caluroso y soleado, si no se analiza, el agua puede sobrecalentarse por encima del punto de ebullición, por lo que es necesario tomar las precauciones adecuadas en el diseño del colector (prestar seguridad válvula). En los colectores abiertos sin cristal protector, este sobrecalentamiento no suele ser motivo de preocupación.

Recientemente, se han comenzado a utilizar ampliamente los colectores solares basados ​​en los llamados heatpipes (¡no deben confundirse con los “heatpipes” que se utilizan para eliminar el calor en los sistemas de refrigeración de ordenadores!). A diferencia del diseño discutido anteriormente, aquí cada tubo de metal calentado a través del cual circula el refrigerante está soldado dentro de un tubo de vidrio y el aire se bombea desde el espacio entre ellos. Resulta ser un análogo de un termo, donde debido al aislamiento térmico al vacío, la pérdida de calor se reduce 20 veces o más. Como resultado, según los fabricantes, cuando hay una helada de -35°C fuera del vidrio, el agua contenida en el tubo metálico interior con un revestimiento especial que absorbe el espectro más amplio posible de radiación solar se calienta a +50. +70°C (una diferencia de más de 100°C) .La absorción eficiente combinada con un excelente aislamiento térmico permite calentar el refrigerante incluso en tiempo nublado, aunque la potencia de calefacción, por supuesto, es varias veces menor que bajo el sol. La clave aquí es garantizar la preservación del vacío en el espacio entre los tubos, es decir, la estanqueidad al vacío de la unión de vidrio y metal, en un rango de temperatura muy amplio, que alcanza los 150 ° C, durante toda la vida útil. de muchos años. Por esta razón, en la fabricación de tales colectores es imposible prescindir de una cuidadosa coordinación de los coeficientes de expansión térmica del vidrio y el metal y de procesos de producción de alta tecnología, lo que significa que en condiciones artesanales es poco probable que sea posible fabricar un tubo de calor de vacío completo. Pero los diseños de colectores más sencillos los puedes realizar tú mismo sin ningún problema, aunque, por supuesto, su eficiencia es algo menor, sobre todo en invierno.

Además de los colectores solares líquidos descritos anteriormente, existen otros tipos interesantes de estructuras: aire (el refrigerante es aire y no teme congelarse), “estanques solares”, etc. Desafortunadamente, la mayor parte de la investigación y el desarrollo sobre colectores solares está dedicado específicamente a modelos líquidos, por lo que los tipos alternativos prácticamente no se producen en masa y no hay mucha información sobre ellos.

Ventajas de los colectores solares.

La ventaja más importante de los colectores solares es la simplicidad y el costo relativamente bajo de fabricación de sus opciones bastante efectivas, combinadas con un funcionamiento sencillo. Lo mínimo necesario para hacer un colector con sus propias manos son unos pocos metros de tubo delgado (preferiblemente cobre de paredes delgadas; se puede doblar con un radio mínimo) y un poco de pintura negra, al menos barniz bituminoso. Doblamos el tubo como una serpiente, lo pintamos con pintura negra, lo colocamos en un lugar soleado, lo conectamos a la tubería de agua y ¡ahora el colector solar más simple está listo! Al mismo tiempo, a la bobina se le puede dar fácilmente casi cualquier configuración y aprovechar al máximo todo el espacio asignado para el colector. El ennegrecimiento casero más eficaz y que además es muy resistente a las altas temperaturas y a la luz solar directa es una fina capa de negro de humo. Sin embargo, el hollín se borra y se lava fácilmente, por lo que dicho ennegrecimiento definitivamente requerirá vidrio protector y medidas especiales para evitar que posible condensación entre en la superficie cubierta de hollín.

Otra ventaja importante de los colectores es que, a diferencia de los paneles solares, son capaces de captar y convertir en calor hasta el 90% de la radiación solar que incide sobre ellos, y en los casos más exitosos, incluso más. Por lo tanto, no sólo en tiempo despejado, sino también en condiciones de nubosidad ligera, la eficiencia de los colectores supera la eficiencia de las baterías fotovoltaicas. Finalmente, a diferencia de las baterías fotovoltaicas, la iluminación desigual de la superficie no provoca una reducción desproporcionada de la eficiencia del colector; sólo es importante el flujo de radiación total (integrado).

Desventajas de los colectores solares.

Pero los colectores solares son más sensibles al clima que los paneles solares. Incluso con un sol brillante, un viento fresco puede reducir muchas veces la eficiencia de calefacción de un intercambiador de calor abierto. El vidrio protector, por supuesto, reduce drásticamente la pérdida de calor por el viento, pero en el caso de nubes densas tampoco tiene efecto. En tiempo nublado y ventoso el colector prácticamente no sirve de nada, pero la batería solar produce al menos algo de energía.

Entre otras desventajas de los colectores solares, destacaré en primer lugar su estacionalidad. Las cortas heladas nocturnas de primavera u otoño son suficientes para que el hielo que se forma en los tubos de calefacción cree peligro de rotura. Por supuesto, esto se puede eliminar calentando el “invernadero” con una bobina con una fuente de calor de terceros en las noches frías, pero en este caso la eficiencia energética general del colector puede volverse fácilmente negativa. Otra opción, un colector de doble circuito con anticongelante en el circuito externo, no requerirá consumo de energía para calentar, pero será mucho más complicado que las opciones de circuito único con calentamiento directo de agua, tanto durante la fabricación como durante el funcionamiento. En principio, las estructuras de aire no pueden congelarse, pero existe otro problema: la baja capacidad calorífica específica del aire.

Y, sin embargo, quizás la principal desventaja de un colector solar es que es precisamente un dispositivo de calefacción, y aunque las muestras fabricadas industrialmente, en ausencia de un análisis térmico, pueden calentar el refrigerante a 190..200 ° C, la temperatura habitual rara vez supera los 60...80 °C. Por tanto, es muy difícil utilizar el calor extraído para obtener cantidades significativas de trabajo mecánico o energía eléctrica. Después de todo, incluso para el funcionamiento de la turbina de vapor-agua de temperatura más baja (por ejemplo, la que V.A. Zysin describió una vez) ¡es necesario sobrecalentar el agua a al menos 110°C! Y la energía directamente en forma de calor, como se sabe, no se almacena durante mucho tiempo y, a temperaturas inferiores a 100°C, normalmente sólo se puede utilizar para el suministro de agua caliente y la calefacción de una casa. Sin embargo, teniendo en cuenta el bajo coste y la facilidad de fabricación, esto puede ser motivo suficiente para adquirir su propio colector solar.

Para ser justos, cabe señalar que el ciclo de funcionamiento "normal" de un motor térmico se puede organizar a temperaturas inferiores a 100 ° C, ya sea si se reduce el punto de ebullición reduciendo la presión en la parte de evaporación bombeando vapor desde allí. , o utilizando un líquido cuyo punto de ebullición se encuentre entre la temperatura de calentamiento del colector solar y la temperatura del aire ambiente (óptimamente - 50...60°C). Es cierto que sólo recuerdo un líquido no exótico y relativamente seguro que satisface más o menos estas condiciones: el alcohol etílico, que en condiciones normales hierve a 78°C. Evidentemente, en este caso será necesario organizar un ciclo cerrado, resolviendo muchos problemas relacionados. En algunas situaciones, el uso de motores calentados externamente (motores Stirling) puede resultar prometedor. Interesante a este respecto también puede ser el uso de aleaciones con efecto de memoria de forma, que se describen en este sitio en el artículo de I.V. Nigel: solo necesitan una diferencia de temperatura de 25-30°C para funcionar.

Concentración de energía solar

Aumentar la eficiencia de un colector solar implica principalmente un aumento constante de la temperatura del agua calentada por encima del punto de ebullición. Esto generalmente se hace concentrando la energía solar en un colector mediante espejos. Este es el principio que subyace a la mayoría de las plantas de energía solar; las diferencias residen únicamente en el número, configuración y ubicación de los espejos y colectores, así como en los métodos de control de los espejos. Como resultado, en el punto de enfoque es muy posible alcanzar una temperatura ni siquiera de cientos, sino de miles de grados; a tal temperatura, ya puede ocurrir la descomposición térmica directa del agua en hidrógeno y oxígeno (el hidrógeno resultante se puede quemar por la noche y en días nublados)!

Desafortunadamente, el funcionamiento eficaz de una instalación de este tipo es imposible sin un complejo sistema de control de espejos de concentración, que deben seguir la posición en constante cambio del Sol en el cielo. De lo contrario, al cabo de unos minutos el punto de enfoque abandonará el colector, que en estos sistemas suele ser de tamaño muy pequeño, y se detendrá el calentamiento del fluido de trabajo. Incluso el uso de espejos paraboloides resuelve solo parcialmente el problema: si no se giran periódicamente después del Sol, después de unas horas ya no caerá en su cuenco o solo iluminará su borde; esto será de poca utilidad.

La forma más sencilla de concentrar la energía solar en casa es colocar un espejo en posición horizontal cerca del colector para que el sol incida sobre él la mayor parte del día. Una opción interesante es utilizar como espejo la superficie de un depósito especialmente creado cerca de la casa, especialmente si no se trata de un depósito ordinario, sino de un "estanque solar" (aunque esto no es fácil de hacer y la eficiencia de la reflexión disminuirá). ser mucho menor que el de un espejo ordinario). Se puede lograr un buen resultado creando un sistema de espejos concentradores verticales (esta tarea suele ser mucho más problemática, pero en algunos casos puede estar justificado simplemente instalar un espejo grande en una pared adyacente si forma un ángulo interno con el colector). - todo depende de la configuración y ubicación del edificio y colector).

Redirigir la radiación solar mediante espejos también puede aumentar la producción de una batería fotovoltaica. Pero al mismo tiempo su calentamiento aumenta y esto puede dañar la batería. Por lo tanto, en este caso, debe limitarse a una ganancia relativamente pequeña (unas pocas decenas de por ciento, pero no varias veces) y debe controlar cuidadosamente la temperatura de la batería, ¡especialmente en días calurosos y despejados! Precisamente por el peligro de sobrecalentamiento, algunos fabricantes de baterías fotovoltaicas prohíben directamente el funcionamiento de sus productos con una mayor iluminación creada con la ayuda de reflectores adicionales.

Convertir la energía solar en energía mecánica

Los tipos tradicionales de instalaciones solares no producen directamente trabajo mecánico. Para hacer esto, se debe conectar un motor eléctrico a una batería solar en fotoconvertidores, y cuando se usa un colector solar térmico, se debe suministrar vapor sobrecalentado (y es poco probable que sea posible sobrecalentarlo sin espejos concentradores) a la entrada de un vapor. turbina o a los cilindros de una máquina de vapor. Los colectores con relativamente poco calor pueden convertir el calor en movimiento mecánico de formas más exóticas, como el uso de actuadores de aleación con memoria de forma.

Sin embargo, también existen instalaciones que implican la conversión del calor solar en trabajo mecánico, que se incorpora directamente a su diseño. Además, sus tamaños y potencias son muy diferentes: se trata de un proyecto para una enorme torre solar de cientos de metros de altura y una modesta bomba solar, que pertenecería a una cabaña de verano.

Vivimos en el mundo del futuro, aunque esto no se nota en todas las regiones. En cualquier caso, hoy en día en los círculos progresistas se está discutiendo seriamente la posibilidad de desarrollar nuevas fuentes de energía. Una de las áreas más prometedoras es la energía solar.

Actualmente, alrededor del 1% de la electricidad de la Tierra se obtiene del procesamiento de la radiación solar. Entonces, ¿por qué no hemos abandonado todavía otros métodos “nocivos” y por qué nos rendiremos del todo? Te invitamos a leer nuestro artículo e intentar responder tú mismo a esta pregunta.

Cómo se convierte la energía solar en electricidad

Empecemos por lo más importante: cómo se transforman los rayos del sol en electricidad.

El proceso en sí se llama "Generación solar" . Las formas más efectivas de garantizar esto son las siguientes:

• fotovoltaica;
• energía solar térmica;
• Plantas de energía de globos solares.

Veamos cada uno de ellos.

Fotovoltaica

En este caso, la corriente eléctrica aparece debido a efecto fotovoltaico. El principio es el siguiente: la luz del sol incide en una fotocélula, los electrones absorben la energía de los fotones (partículas de luz) y comienzan a moverse. Como resultado, obtenemos voltaje eléctrico.

Este es exactamente el proceso que ocurre en los paneles solares, que se basan en elementos que convierten la radiación solar en electricidad.

El diseño de los paneles fotovoltaicos en sí es bastante flexible y puede tener diferentes tamaños. Por tanto, son muy prácticos de utilizar. Además, los paneles tienen propiedades de alto rendimiento: son resistentes a las precipitaciones y a los cambios de temperatura.

Y así es como funciona módulo de panel solar separado:

Puede leer sobre el uso de paneles solares como cargadores, fuentes de energía para viviendas particulares, para mejora urbana y con fines médicos.

Paneles solares y plantas de energía modernas.

Ejemplos recientes incluyen los paneles solares de la empresa. SixtinaSolar. Pueden tener cualquier tono y textura, a diferencia de los tradicionales paneles de color azul oscuro. Esto significa que se pueden utilizar para “decorar” el techo de la casa a tu gusto.

Los desarrolladores de Tesla propusieron otra solución. No solo lanzaron paneles, sino material para techos completo que procesa 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 comunes y Solar Roof tiene incluso una garantía infinita.

Un ejemplo de planta de energía solar en toda regla es una estación construida recientemente en Europa con paneles de doble cara. Estos últimos recogen tanto la radiación solar directa como la radiación reflectante. Esto le permite aumentar la eficiencia de la generación solar en un 30%. Esta estación debería generar unos 400 MWh al año.

De interés también es la mayor planta de energía solar flotante de China. Su potencia es de 40 MW. Estas soluciones tienen 3 ventajas importantes:

• no hay necesidad de ocupar grandes extensiones de tierra, lo cual es importante para China;
• en los embalses, la evaporación del agua disminuye;
• Las propias fotocélulas se calientan menos y funcionan de forma más eficiente.

Por cierto, esta planta de energía solar flotante se construyó en el lugar 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 a 40 años.

Energía solar térmica

Aquí el enfoque es un poco diferente, porque... La radiación solar se utiliza para calentar un recipiente que contiene líquido. Gracias a esto, se convierte en vapor, que hace girar una turbina, dando como resultado la generación de electricidad.

Las centrales térmicas funcionan según el mismo principio, sólo que el líquido se calienta quemando carbón.

El ejemplo más obvio del uso de esta tecnología es Estación solar Ivanpah en el desierto de Mojave. Es la central termosolar más grande del mundo.

Funciona desde 2014 y no utiliza ningún combustible para producir electricidad, solo energía solar respetuosa con el medio ambiente.

La caldera de agua está ubicada 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 lo alto de la torre. Al mismo tiempo, la computadora hace girar constantemente estos espejos dependiendo de la ubicación del sol.

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, lo que produce la liberación de electricidad. La potencia de esta central es de 392 megavatios, lo que se puede comparar fácilmente con la central térmica media de Moscú.

Curiosamente, estas estaciones también pueden funcionar de noche. Esto es posible almacenando parte del vapor calentado y usándolo gradualmente para hacer girar la turbina.

Plantas de energía de globos solares.

Esta solución original, aunque no se utiliza mucho, todavía tiene cabida.

La instalación en sí consta de 4 partes principales:

• Aerostato: ubicado en el cielo y recogiendo la radiación solar. El agua entra en la bola y se calienta rápidamente, convirtiéndose en vapor.
• Tubería de vapor: a través de ella, el vapor bajo presión desciende hasta la turbina y la hace girar.
• Turbina: bajo la influencia de un flujo de vapor, gira generando energía eléctrica.
• Condensador y bomba: el vapor que ha pasado a través de la turbina se condensa en agua y mediante una bomba sube al globo, donde se calienta nuevamente hasta alcanzar el estado de vapor.

¿Cuáles son las ventajas de la energía solar?

• El sol seguirá proporcionándonos su energía durante varios miles de millones de años más. Al mismo tiempo, la gente no necesita gastar dinero ni recursos para extraerlo.
• Generar energía solar es un proceso totalmente respetuoso con el medio ambiente y sin riesgos para la naturaleza.
• Autonomía del proceso. La captación de luz solar y la generación de electricidad se producen con una mínima intervención humana. Lo único que debe hacer es mantener limpias las superficies de trabajo o los espejos.
• Los paneles solares agotados se pueden reciclar y reutilizar en la producción.

Problemas del 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 está inmune a los caprichos de la naturaleza. Los cielos nublados durante varios días reducen significativamente la producción de electricidad, pero la población y las empresas necesitan un suministro ininterrumpido.

La construcción de una central 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 desperdiciar presupuestos en centrales eléctricas menos potentes cuando hay centrales térmicas y nucleares en funcionamiento.

Para colocar 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?

Desgraciadamente, nuestro país sigue quemando carbón, gas y petróleo a toda velocidad, y Rusia seguramente estará entre los últimos en pasarse por completo a las energías alternativas.

Hasta la fecha La generación solar representa sólo el 0,03% del balance energético de la Federación de Rusia.. En comparación, en Alemania esta cifra supera el 20%. Los empresarios privados no están interesados ​​en invertir en energía solar debido al largo período de recuperación y a la no tan alta rentabilidad, porque el gas es mucho más barato en nuestro país.

En las regiones económicamente desarrolladas de Moscú y Leningrado, la actividad solar es baja. Allí, construir plantas de energía solar simplemente no es práctico. Pero las regiones del sur son bastante prometedoras.