O processo que gera energia solar. O princípio da conversão de energia solar, sua aplicação e perspectivas

A cada dia diminui a quantidade de reservas mundiais de carvão, petróleo, gás, ou seja, tudo o que hoje nos serve como fonte de energia. E num futuro próximo, a humanidade chegará ao ponto em que simplesmente não haverá mais combustíveis fósseis. Portanto, todos os países procuram activamente a salvação da catástrofe que se aproxima rapidamente de nós. E o primeiro meio de salvação que vem à mente é, claro, a energia do sol, que tem sido utilizada pelas pessoas desde tempos imemoriais para secar roupas, iluminar casas e cozinhar. Daí surgiu uma das áreas da energia alternativa - a energia solar.

A fonte de energia da energia solar é a energia da luz solar, que é convertida em calor ou eletricidade por meio de estruturas especiais. Segundo especialistas, em apenas uma semana, a superfície terrestre recebe uma quantidade de energia do sol que excede a energia das reservas mundiais de todos os tipos de combustível. E embora o ritmo de desenvolvimento desta área de energia alternativa seja cada vez maior, a energia solar ainda apresenta não apenas vantagens, mas também desvantagens.

Se as principais vantagens incluem a acessibilidade e, mais importante, a inesgotabilidade da fonte de energia, as desvantagens incluem:

• a necessidade de acumular energia recebida do sol,
• custo significativo do equipamento utilizado,
• dependência das condições climáticas e da hora do dia,
• aumento da temperatura atmosférica acima das usinas de energia, etc.

Características numéricas da radiação solar

Existe um indicador como a constante solar. Seu valor é 1367 W. Esta é exatamente a quantidade de energia por 1 m². planeta Terra. Mas por causa da atmosfera, cerca de 20-25% menos energia chega à superfície da Terra. Portanto, o valor da energia solar por metro quadrado, por exemplo, no equador é de 1020 W. E tendo em conta a mudança do dia e da noite, a mudança do ângulo do sol acima do horizonte, este número diminui cerca de 3 vezes.

Mas de onde vem essa energia? Os cientistas começaram a estudar esta questão no século XIX, e as versões eram completamente diferentes. Hoje, como resultado de um grande número de estudos, sabe-se com segurança que a fonte da energia solar é a reação de conversão de 4 átomos de hidrogênio em um núcleo de hélio. Como resultado deste processo, uma quantidade significativa de energia é liberada. Por exemplo, a energia liberada durante a transformação de 1 g. o hidrogênio é comparável à energia liberada durante a combustão de 15 toneladas de gasolina.

Conversão de Energia Solar

Já sabemos que a energia recebida do sol deve ser convertida em alguma outra forma. A necessidade disso surge devido ao fato de a humanidade ainda não possuir dispositivos que possam consumir energia solar em sua forma pura. Portanto, foram desenvolvidas fontes de energia como coletores solares e painéis solares. Se o primeiro é utilizado para gerar energia térmica, o segundo produz eletricidade diretamente.

Existem várias maneiras de converter energia solar:

• energia fotovoltaica;
• energia térmica do ar;
• energia solar térmica;
• usando usinas de balão solar.

O método mais comum é a energia fotovoltaica. O princípio desta conversão é a utilização de painéis solares fotovoltaicos, ou painéis solares como também são chamados, através dos quais a energia solar é convertida em energia elétrica. Via de regra, esses painéis são feitos de silício e a espessura de sua superfície de trabalho é de apenas alguns décimos de milímetro. Eles podem ser colocados em qualquer lugar, com apenas uma condição - a presença de muita luz solar. Excelente opção para instalação de placas fotográficas em coberturas de edifícios residenciais e públicos.

Além das placas fotográficas discutidas acima, painéis de película fina são usados ​​para converter a energia da radiação solar. Distinguem-se pela espessura ainda menor, o que permite a sua instalação em qualquer lugar, mas uma desvantagem significativa desses painéis é a sua baixa eficiência. É por esta razão que a sua instalação só se justificará em grandes áreas. Apenas por diversão, o painel de película fina pode até ser colocado no case de um laptop ou em uma bolsa.

Na energia térmica do ar, a energia solar é convertida em energia do fluxo de ar, que é então enviada para um turbogerador. Mas no caso de utilização de usinas de balão solar, o vapor d'água é gerado dentro do balão. Este efeito é conseguido aquecendo a superfície do balão, sobre a qual é aplicado um revestimento de absorção seletiva, pela luz solar. A principal vantagem deste método é o fornecimento suficiente de vapor, suficiente para continuar a operação da usina com mau tempo e à noite.

O princípio da energia solar é aquecer uma superfície que absorve os raios solares e os concentra para o posterior aproveitamento do calor resultante. O exemplo mais simples é o aquecimento de água, que pode depois ser utilizada para necessidades domésticas, por exemplo, para abastecimento de esgotos ou baterias, poupando gás ou outro combustível. Em escala industrial, a energia da radiação solar obtida por este método é convertida em energia elétrica por meio de motores térmicos. A construção dessas usinas combinadas pode durar mais de 20 anos, mas o ritmo de desenvolvimento da energia solar não está diminuindo, mas, pelo contrário, está crescendo continuamente.

Onde a energia solar pode ser usada?

A energia solar pode ser utilizada em áreas completamente diferentes - da indústria química à indústria automóvel, da cozinha ao aquecimento ambiente. Por exemplo, a utilização de painéis solares na indústria automóvel remonta a 1955. Este ano foi marcado pelo lançamento do primeiro carro movido a baterias solares. Hoje, BMW, Toyota e outras grandes empresas produzem esses carros.

No dia a dia, a energia solar é utilizada para aquecimento de ambientes, iluminação e até para cozinhar. Por exemplo, fornos solares feitos de folha e papelão, por iniciativa da ONU, são ativamente utilizados por refugiados que foram forçados a deixar suas casas devido à difícil situação política. Fornos solares mais complexos são usados ​​para tratamento térmico e fundição de metais. Um dos maiores fornos desse tipo está localizado no Uzbequistão.

As invenções mais interessantes sobre o uso da energia solar incluem:

• Capa protetora para telefone com fotocélula, que também funciona como carregador.
• Uma mochila com um painel solar acoplado. Ele permitirá que você carregue não só seu telefone, mas também seu tablet e até sua câmera, em geral, qualquer aparelho eletrônico que possua entrada USB.
• Fones de ouvido Bluetooth solares.

E a ideia mais criativa são roupas feitas com tecidos especiais. Paletó, gravata e até maiô - tudo isso pode virar não só um item do seu guarda-roupa, mas também um carregador.

Desenvolvimento de energia alternativa nos países da CEI

A energia alternativa, incluindo a solar, está a desenvolver-se a um ritmo elevado não só nos EUA, na Europa ou na Índia, mas também nos países da CEI, incluindo a Rússia, o Cazaquistão e especialmente a Ucrânia. Por exemplo, a maior central solar da antiga União Soviética, Perovo, foi construída na Crimeia. Sua construção foi concluída em 2011. Esta central tornou-se o terceiro projeto inovador da empresa austríaca Activ Solar. A potência de pico de Perovo é de cerca de 100 MW.

E em outubro do mesmo ano, a Activ Solar lançou outra central de energia solar, Okhotnikovo, também na Crimeia. Sua potência era de 80 MW. Okhotnikovo também recebeu o status de maior, mas da Europa Central e Oriental. Podemos dizer que a energia alternativa na Ucrânia deu um grande passo em direcção a uma energia segura e inesgotável.

No Cazaquistão a situação parece um pouco diferente. Basicamente, o desenvolvimento de energias alternativas neste país ocorre apenas em teoria. A república tem um enorme potencial, mas ainda não foi totalmente realizado. É claro que o governo está lidando com esta questão, e até foi desenvolvido um plano para o desenvolvimento de energia alternativa no Cazaquistão, mas a parcela de energia obtida a partir de fontes renováveis, em particular do sol, não será superior a 1% no balanço energético global do país. Até 2020, está prevista a inauguração de apenas 4 usinas solares, cuja capacidade total será de 77 MW.

A energia alternativa na Rússia também está a desenvolver-se a um ritmo considerável. Mas, como disse o Vice-Ministro da Energia, o foco nesta área está principalmente nas regiões do Extremo Oriente. Por exemplo, em Yakutia, a produção total de 4 centrais de energia solar que operam nas aldeias mais remotas do norte ascendeu a mais de 50 mil kWh. Isso permitiu economizar mais de 14 toneladas de diesel caro. Outro exemplo do uso da energia solar é o complexo de aviação multifuncional em construção na região de Lipetsk. A eletricidade para seu funcionamento será gerada pela primeira usina solar, também construída na região de Lipetsk.

Tudo isto permite-nos tirar a seguinte conclusão: hoje todos os países, mesmo os mais desenvolvidos, esforçam-se por chegar o mais perto possível do objectivo almejado: a utilização de fontes alternativas de energia. Afinal, o consumo de eletricidade cresce a cada dia e a quantidade de emissões nocivas para o meio ambiente aumenta a cada dia. E muitos já entendem que o nosso futuro e o futuro do nosso planeta depende apenas de nós.

R. Abdullina

Ucrânia depende de energia solar

As pessoas já não conseguem imaginar a vida sem electricidade e, todos os anos, a necessidade de energia aumenta cada vez mais, enquanto as reservas de recursos energéticos como o petróleo, o gás e o carvão diminuem rapidamente. A humanidade não tem outra opção senão usar fontes alternativas de energia. Uma forma de gerar eletricidade é converter energia solar por meio de fotocélulas. As pessoas aprenderam que é possível usar a energia solar há relativamente muito tempo, mas começaram a desenvolvê-la ativamente apenas nos últimos 20 anos. Nos últimos anos, graças à investigação contínua, à utilização de novos materiais e a soluções criativas de design, foi possível aumentar significativamente o desempenho dos painéis solares. Muitos acreditam que no futuro a humanidade poderá abandonar os métodos tradicionais de geração de eletricidade em favor da energia solar e obtê-la por meio de usinas solares.

Energia solar

A energia solar é uma das fontes de geração de energia elétrica de forma não tradicional, portanto é classificada como fonte de energia alternativa. A energia solar utiliza a radiação solar e a converte em eletricidade ou outras formas de energia. A energia solar não é apenas uma fonte de energia amiga do ambiente, porque... Ao converter a energia solar, nenhum subproduto prejudicial é liberado, mas a energia solar também é uma fonte auto-renovável de energia alternativa.

Como funciona a energia solar

Teoricamente, não é difícil calcular quanta energia pode ser obtida a partir do fluxo de energia solar, há muito se sabe que tendo percorrido a distância do Sol à Terra e caído sobre uma superfície com área de 1 m² em um ângulo de 90°, o fluxo solar na entrada da atmosfera carrega uma carga de energia igual a 1367 W/ m², esta é a chamada constante solar. Esta é uma opção ideal em condições ideais, que, como sabemos, são praticamente impossíveis de alcançar. Assim, após passar pela atmosfera, o fluxo máximo que poderá ser obtido estará no equador e será de 1020 W/m², mas o valor médio diário que pudermos obter será 3 vezes menor devido à mudança do dia e da noite e a mudança no ângulo de incidência do fluxo solar. E nas latitudes temperadas, a mudança do dia e da noite também é acompanhada pela mudança das estações, e com ela a mudança na duração do dia, portanto, nas latitudes temperadas a quantidade de energia recebida será reduzida em mais 2 vezes.

Desenvolvimento e distribuição de energia solar

Como todos sabemos, nos últimos anos o desenvolvimento da energia solar vem ganhando impulso a cada ano, mas vamos tentar traçar a dinâmica do desenvolvimento. Em 1985, a capacidade solar global era de apenas 0,021 GW. Em 2005, já somavam 1.656 GW. O ano de 2005 é considerado um ponto de viragem no desenvolvimento da energia solar, foi a partir deste ano que as pessoas começaram a ter um interesse ativo na investigação e desenvolvimento de sistemas elétricos movidos a energia solar. Outras dinâmicas não deixam dúvidas (2008-15,5 GW, 2009-22,8 GW, 2010-40 GW, 2011-70 GW, 2012-108 GW, 2013-150 GW, 2014-203 GW). Os países da União Europeia e dos Estados Unidos detêm a palma da mão no uso da energia solar; mais de 100 mil pessoas estão empregadas cada um na esfera produtiva e operacional somente nos Estados Unidos e na Alemanha. Além disso, Itália, Espanha e, claro, China podem orgulhar-se das suas conquistas no desenvolvimento da energia solar, que, se não é líder na operação de células solares, é como o fabricante de células solares está a aumentar o ritmo de produção de ano a ano.

Vantagens e desvantagens do uso de energia solar

Vantagens: 1) respeito ao meio ambiente - não polui o meio ambiente; 2) disponibilidade - as fotocélulas estão disponíveis para venda não só para uso industrial, mas também para a criação de minicentrais solares privadas; 3) inesgotabilidade e auto-renovação da fonte de energia; 4) custo cada vez menor de produção de eletricidade.
Imperfeições: 1) o impacto das condições climáticas e da hora do dia na produtividade; 2) para conservar energia é necessário acumular energia; 3) menor produtividade em latitudes temperadas devido à mudança das estações; 4) aquecimento significativo do ar acima da usina solar; 5) a necessidade de limpar periodicamente a superfície das fotocélulas de contaminação, o que é problemático devido às enormes áreas ocupadas pela instalação das fotocélulas; 6) também podemos falar do custo relativamente alto dos equipamentos, embora a cada ano o custo esteja diminuindo, até o momento não há necessidade de falar em energia solar barata.

Perspectivas para o desenvolvimento da energia solar

Hoje, prevê-se um grande futuro para o desenvolvimento da energia solar: a cada ano são construídas mais e mais novas centrais solares, que surpreendem pela sua escala e soluções técnicas. Além disso, as pesquisas científicas que visam aumentar a eficiência das fotocélulas não param. Os cientistas calcularam que se cobrirmos a massa terrestre do planeta Terra em 0,07%, com uma eficiência das fotocélulas de 10%, então haverá energia suficiente para satisfazer mais de 100% todas as necessidades da humanidade. Hoje já são utilizadas fotocélulas com eficiência de 30%. Segundo dados da pesquisa, sabe-se que as ambições dos cientistas prometem chegar a 85%.

Usinas de energia solar

As usinas solares são estruturas cuja tarefa é converter fluxos de energia solar em energia elétrica. Os tamanhos das usinas solares podem variar, desde mini centrais privadas com vários painéis solares até enormes, ocupando áreas de mais de 10 km².

Que tipos de usinas solares existem?

Muito tempo se passou desde a construção das primeiras usinas solares, durante as quais muitos projetos foram implementados e muitas soluções de design interessantes foram aplicadas. É costume dividir todas as usinas solares em vários tipos:
1. Usinas solares tipo torre.
2. Usinas solares, onde os painéis solares são células fotovoltaicas.
3. Usinas de energia solar.
4. Centrais solares parabólicas.
5. Centrais solares do tipo solar-vácuo.
6. Centrais solares de tipo misto.

Usinas solares do tipo torre

Um tipo muito comum de projeto de usina de energia. É uma torre alta no topo com um reservatório de água pintado de preto para melhor atrair a luz solar refletida. Ao redor da torre existem grandes espelhos com área superior a 2 m² localizados em círculo, todos conectados a um único sistema de controle que monitora a mudança no ângulo dos espelhos para que sempre reflitam a luz solar e a direcionem em linha reta para o tanque de água localizado no topo da torre. Assim, a luz solar refletida aquece a água, que forma vapor, e então esse vapor é fornecido ao turbogerador por meio de bombas, onde é gerada eletricidade. A temperatura de aquecimento do tanque pode atingir 700 °C. A altura da torre depende do tamanho e potência da usina solar e, via de regra, começa a partir de 15 m, sendo que a altura da maior hoje é de 140 m. Este tipo de usina solar é muito comum e preferido por muitos países pela sua alta eficiência de 20%.

Centrais solares do tipo fotocélula

Fotocélulas (baterias solares) são usadas para converter o fluxo solar em eletricidade. Este tipo de central tornou-se muito popular devido à possibilidade de utilização de painéis solares em pequenos blocos, o que permite a utilização de painéis solares para fornecer eletricidade tanto a residências particulares como a grandes instalações industriais. Além disso, a eficiência cresce a cada ano e hoje já existem fotocélulas com eficiência de 30%.

Usinas solares parabólicas

Este tipo de usina solar se assemelha a enormes antenas parabólicas, cujo interior é coberto por placas espelhadas. O princípio pelo qual ocorre a conversão de energia é semelhante às estações de torre com uma pequena diferença: o formato parabólico dos espelhos determina que os raios solares, refletidos em toda a superfície do espelho, se concentrem no centro, onde o receptor está localizado com um líquido que se aquece, formando vapor, que por sua vez A fila é a força motriz de pequenos geradores.

Usinas solares de placas

O princípio de funcionamento e o método de geração de eletricidade são idênticos aos das usinas solares em torre e parabólicas. A única diferença são os recursos de design. Uma estrutura estacionária, um pouco como uma árvore gigante de metal, contém espelhos redondos e planos que concentram a energia do sol em um receptor.

Usinas de energia solar do tipo vácuo solar

Esta é uma forma muito incomum de usar a energia solar e as diferenças de temperatura. A estrutura da usina consiste em um terreno circular com cobertura de vidro e uma torre no centro. A torre é oca por dentro, em sua base existem diversas turbinas que giram graças ao fluxo de ar decorrente da diferença de temperatura. Através do telhado de vidro, o sol aquece o solo e o ar dentro da sala, e o edifício se comunica com o ambiente externo através de uma tubulação, e como a temperatura do ar fora da sala é muito mais baixa, cria-se uma corrente de ar, que aumenta com o aumento da temperatura diferença. Assim, à noite as turbinas geram mais eletricidade do que durante o dia.

Usinas solares mistas

É quando usinas solares de um determinado tipo utilizam, por exemplo, coletores solares como elementos auxiliares para fornecer água quente e calor aos objetos, ou é possível utilizar seções de fotocélulas simultaneamente em uma usina tipo torre.

A energia solar está a desenvolver-se a um ritmo acelerado, as pessoas estão finalmente a pensar seriamente em fontes alternativas de energia, a fim de evitar a crise energética e o desastre ambiental que se aproximam inevitavelmente. Embora os líderes em energia solar ainda sejam os Estados Unidos e a União Europeia, todas as outras potências mundiais estão gradualmente a começar a adoptar e utilizar a experiência e tecnologias de produção e utilização de centrais de energia solar. Não há dúvida de que mais cedo ou mais tarde a energia solar se tornará a principal fonte de energia da Terra.

O sol é uma fonte de energia inesgotável, amiga do ambiente e barata. Como dizem os especialistas, a quantidade de energia solar que atinge a superfície da Terra durante a semana excede a energia de todas as reservas mundiais de petróleo, gás, carvão e urânio 1 . De acordo com o acadêmico Zh.I. Alferova, “a humanidade possui um reator termonuclear natural confiável - o Sol. É uma estrela da classe “F-2”, muito mediana, da qual existem até 150 bilhões na Galáxia. Mas esta é a nossa estrela e envia enormes poderes para a Terra, cuja transformação torna possível satisfazer quase todas as necessidades energéticas da humanidade durante muitas centenas de anos.” Além disso, a energia solar é “limpa” e não tem impacto negativo na ecologia do planeta 2.

Um ponto importante é o fato de a matéria-prima para a fabricação das células solares ser um dos elementos mais comuns - o silício. Na crosta terrestre, o silício é o segundo elemento depois do oxigênio (29,5% em massa) 3 . Segundo muitos cientistas, o silício é o “petróleo do século XXI”: ao longo de 30 anos, um quilograma de silício numa central fotovoltaica produz tanta electricidade como 75 toneladas de petróleo numa central térmica.

No entanto, alguns especialistas acreditam que a energia solar não pode ser considerada amiga do ambiente devido ao facto de a produção de silício puro para baterias fotográficas ser muito “suja” e consumir muita energia. Junto com isso, a construção de usinas solares exige a alocação de vastos terrenos, com área comparável aos reservatórios das hidrelétricas. Outra desvantagem da energia solar, segundo especialistas, é a alta volatilidade. Garantir o funcionamento eficiente do sistema energético, cujos elementos são as centrais solares, é possível desde que:
- a presença de capacidades de reserva significativas utilizando fontes de energia tradicionais, que podem ser ligadas à noite ou em dias nublados;
- realizar modernizações caras e em grande escala das redes elétricas 4.

Apesar desta desvantagem, a energia solar continua a desenvolver-se em todo o mundo. Em primeiro lugar, porque a energia radiante ficará mais barata e dentro de alguns anos se tornará um concorrente significativo do petróleo e do gás.

Atualmente no mundo existem instalações fotovoltaicas, convertendo energia solar em energia elétrica com base no método de conversão direta, e instalações termodinâmicas, em que a energia solar é primeiro convertida em calor, depois convertida em energia mecânica no ciclo termodinâmico de uma máquina térmica e convertida em energia elétrica em um gerador.

As células solares como fonte de energia podem ser usadas:
- na indústria (indústria aeronáutica, indústria automotiva, etc.),
- na agricultura,
- na esfera doméstica,
- na indústria da construção (por exemplo, casas ecológicas),
- em usinas de energia solar,
- em sistemas autônomos de videovigilância,
- em sistemas de iluminação autônomos,
- na indústria espacial.

De acordo com o Instituto de Estratégia Energética, o potencial teórico da energia solar na Rússia é de mais de 2,3 bilhões de toneladas de combustível padrão, o potencial econômico é de 12,5 milhões de toneladas de combustível equivalente. O potencial da energia solar que entra no território da Rússia em três dias excede a energia de toda a produção anual de eletricidade em nosso país.
Devido à localização da Rússia (entre 41 e 82 graus de latitude norte), o nível de radiação solar varia significativamente: de 810 kWh/m2 por ano nas regiões remotas do norte a 1400 kWh/m2 por ano nas regiões do sul. O nível de radiação solar também é influenciado por grandes flutuações sazonais: a uma largura de 55 graus, a radiação solar em janeiro é de 1,69 kWh/m2, e em julho - 11,41 kWh/m2 por dia.

O potencial de energia solar é maior no sudoeste (Norte do Cáucaso, Mar Negro e Mar Cáspio) e no Sul da Sibéria e no Extremo Oriente.

As regiões mais promissoras em termos de uso de energia solar: Calmúquia, Território de Stavropol, Região de Rostov, Território de Krasnodar, Região de Volgogrado, Região de Astrakhan e outras regiões do sudoeste, Altai, Primorye, Região de Chita, Buriácia e outras regiões do sudeste . Além disso, algumas áreas da Sibéria Ocidental e Oriental e do Extremo Oriente excedem o nível de radiação solar nas regiões do sul. Por exemplo, em Irkutsk (52 graus de latitude norte) o nível de radiação solar atinge 1340 kWh/m2, enquanto na República de Yakutia-Sakha (62 graus de latitude norte) este valor é de 1290 kWh/m2. 5

Atualmente, a Rússia possui tecnologias avançadas para converter energia solar em energia elétrica. Existem várias empresas e organizações que desenvolveram e estão aprimorando as tecnologias de conversores fotoelétricos: tanto em estruturas de silício quanto em estruturas multijuncionais. Há uma série de desenvolvimentos no uso de sistemas de concentração para usinas de energia solar.

O quadro legislativo para apoiar o desenvolvimento da energia solar na Rússia está na sua infância. No entanto, os primeiros passos já foram dados:
- 3 de julho de 2008: Decreto Governamental nº 426 “Sobre a qualificação de uma instalação geradora que opera com base na utilização de fontes de energia renováveis”;
- 8 de janeiro de 2009: Ordem do Governo da Federação Russa nº 1-r “Sobre as principais direções da política estatal na esfera de melhoria da eficiência energética do setor de energia elétrica com base no uso de fontes de energia renováveis ​​​​para o período até 2020”

Foram aprovadas metas para aumentar a percentagem de fontes de energia renováveis ​​no nível global do balanço energético russo para 2,5% e 4,5%, respetivamente, até 2015 e 2020 6 .

De acordo com várias estimativas, neste momento na Rússia o volume total de capacidade instalada de geração solar não ultrapassa 5 MW, a maior parte dos quais recai sobre as famílias. A maior instalação industrial de energia solar russa é uma usina de energia solar na região de Belgorod com capacidade de 100 kW, inaugurada em 2010 (para efeito de comparação, a maior usina de energia solar do mundo está localizada no Canadá com capacidade de 80.000 kW) .

Atualmente, estão a ser implementados dois projetos na Rússia: a construção de parques solares no território de Stavropol (capacidade - 12 MW) e na República do Daguestão (10 MW) 7 . Apesar da falta de apoio às energias renováveis, várias empresas estão a implementar projetos de energia solar em pequena escala. Por exemplo, a Sakhaenergo instalou uma pequena estação em Yakutia com capacidade de 10 kW.

Existem pequenas instalações em Moscou: na Leontyevsky Lane e na Michurinsky Prospekt, as entradas e pátios de várias casas são iluminados com módulos solares, o que reduziu os custos de iluminação em 25%. Na rua Timiryazevskaya, painéis solares estão instalados na cobertura de um dos pontos de ônibus, que garantem o funcionamento de um sistema de transporte de referência e informação e wi-fi.

O desenvolvimento da energia solar na Rússia se deve a uma série de fatores:

1) condições climáticas: este fator influencia não só o ano em que a paridade da rede é alcançada, mas também a escolha da tecnologia de instalação solar mais adequada para uma determinada região;

2)apoio governamental: a presença de incentivos económicos legalmente estabelecidos para a energia solar é fundamental para
seu desenvolvimento. Entre os tipos de apoio governamental que são utilizados com sucesso em vários países da Europa e dos EUA, podemos destacar: tarifas preferenciais para centrais solares, subsídios para a construção de centrais solares, diversas opções de incentivos fiscais, compensação por parte dos custos de manutenção de empréstimos para aquisição de instalações solares;

3)custo do PVEU (instalações solares fotovoltaicas): Hoje, as usinas de energia solar são uma das tecnologias de geração de eletricidade mais caras em uso. Contudo, à medida que o custo de 1 kWh de eletricidade gerada diminui, a energia solar torna-se competitiva. A procura por centrais de energia solar depende da redução do custo de 1W de potência instalada das centrais de energia solar (~$3000 em 2010). A redução de custos é alcançada aumentando a eficiência, reduzindo os custos tecnológicos e reduzindo a rentabilidade da produção (influência da concorrência). O potencial de redução do custo de 1 kW de potência depende da tecnologia e varia de 5% a 15% ao ano;

4) padrões ambientais: O mercado de energia solar poderá ser afetado positivamente pelo endurecimento das normas ambientais (restrições e multas) devido a uma possível revisão do Protocolo de Quioto. A melhoria dos mecanismos de venda de quotas de emissão pode proporcionar um novo incentivo económico para o mercado PVEM;

5) equilíbrio entre oferta e demanda de eletricidade: implementação de planos ambiciosos existentes para a construção e reconstrução de redes de geração e energia
a capacidade das empresas desmembradas da RAO UES da Rússia durante a reforma da indústria aumentará significativamente o fornecimento de eletricidade e poderá aumentar a pressão sobre os preços
no mercado atacadista. Contudo, a retirada da antiga capacidade e um aumento simultâneo da procura implicarão um aumento dos preços;

6)presença de problemas de conexão tecnológica: os atrasos na execução dos pedidos de ligação tecnológica ao sistema centralizado de fornecimento de energia são um incentivo à transição para fontes de energia alternativas, incluindo PVEU. Tais atrasos são determinados tanto por uma falta objectiva de capacidade como pela ineficácia da organização da ligação tecnológica pelas empresas da rede ou pela falta de financiamento para a ligação tecnológica a partir da tarifa;

7) iniciativas das autoridades locais: Os governos regionais e municipais podem implementar os seus próprios programas para desenvolver a energia solar ou, mais amplamente, fontes de energia renováveis/não tradicionais. Hoje, tais programas já estão sendo implementados nos territórios de Krasnoyarsk e Krasnodar, na República da Buriácia, etc.;

8) desenvolvimento de produção própria: A produção russa de centrais de energia solar pode ter um impacto positivo no desenvolvimento do consumo de energia solar na Rússia. Em primeiro lugar, graças à nossa própria produção, aumenta a consciência geral da população sobre a disponibilidade das tecnologias solares e a sua popularidade. Em segundo lugar, o custo do SFEU para os consumidores finais é reduzido através da redução dos elos intermédios da cadeia de distribuição e da redução da componente de transporte 8 .

Energia solar

Parâmetros de radiação solar

Em primeiro lugar, é necessário avaliar as capacidades energéticas potenciais da radiação solar. Aqui, o seu poder específico total na superfície da Terra e a distribuição deste poder em diferentes faixas de radiação são de maior importância.

Potência de radiação solar

A potência de radiação do Sol, localizado no zênite, na superfície da Terra é estimada em aproximadamente 1350 W/m2. Um cálculo simples mostra que para obter uma potência de 10 kW é necessário coletar a radiação solar de uma área de apenas 7,5 m2. Mas isto acontece numa tarde clara, numa zona tropical no alto das montanhas, onde a atmosfera é rarefeita e cristalina. Assim que o Sol começa a se inclinar em direção ao horizonte, o caminho de seus raios através da atmosfera aumenta e, conseqüentemente, as perdas ao longo desse caminho aumentam. A presença de poeira ou vapor d'água na atmosfera, mesmo em quantidades imperceptíveis sem instrumentos especiais, reduz ainda mais o fluxo de energia. Porém, mesmo na zona média numa tarde de verão, por cada metro quadrado orientado perpendicularmente aos raios solares, existe um fluxo de energia solar com uma potência de aproximadamente 1 kW.

É claro que mesmo uma leve cobertura de nuvens reduz drasticamente a energia que atinge a superfície, especialmente na faixa infravermelha (térmica). No entanto, alguma energia ainda penetra nas nuvens. Na zona intermédia, com nuvens pesadas ao meio-dia, a potência da radiação solar que atinge a superfície terrestre é estimada em aproximadamente 100 W/m2, e apenas em casos raros, com nuvens particularmente densas, pode cair abaixo deste valor. Obviamente, nessas condições, para obter 10 kW é necessário coletar completamente, sem perdas e reflexões, a radiação solar não de 7,5 m2 da superfície terrestre, mas de cem metros quadrados inteiros (100 m2).

A tabela mostra breves dados médios sobre a energia da radiação solar para algumas cidades russas, levando em consideração as condições climáticas (frequência e intensidade da nebulosidade) por unidade de superfície horizontal. Os detalhes destes dados, dados adicionais para orientações do painel diferentes da horizontal, bem como dados para outras regiões da Rússia e dos países da ex-URSS são fornecidos numa página separada.

Um painel fixo, colocado em um ângulo de inclinação ideal, é capaz de absorver 1,2 .. 1,4 vezes mais energia em comparação com um painel horizontal, e se girar após o Sol, o aumento será de 1,4 .. 1,8 vezes. Isto pode ser observado, discriminado por mês, para painéis fixos orientados para sul em diferentes ângulos de inclinação e para sistemas que rastreiam o movimento do Sol. As características da colocação de painéis solares são discutidas com mais detalhes abaixo.

Radiação solar direta e difusa

Existem radiações solares difusas e diretas. Para perceber efetivamente a radiação solar direta, o painel deve ser orientado perpendicularmente ao fluxo da luz solar. Para a percepção da radiação espalhada, a orientação não é tão crítica, pois vem de maneira bastante uniforme de quase todo o céu - é assim que a superfície terrestre é iluminada em dias nublados (por isso, em tempo nublado, os objetos não têm uma visão clara sombra definida, e superfícies verticais, como pilares e paredes das casas praticamente não projetam sombra visível).

A proporção entre radiação direta e difusa depende fortemente das condições climáticas nas diferentes estações. Por exemplo, o inverno em Moscou é nublado e em janeiro a parcela da radiação espalhada excede 90% da insolação total. Mas mesmo no verão de Moscou, a radiação espalhada representa quase metade de toda a energia solar que atinge a superfície da Terra. Ao mesmo tempo, na ensolarada Baku, tanto no inverno quanto no verão, a parcela da radiação espalhada varia de 19 a 23% da insolação total, e cerca de 4/5 da radiação solar, respectivamente, é direta. A proporção de insolação difusa e total para algumas cidades é apresentada com mais detalhes em uma página separada.

Distribuição de energia no espectro solar

O espectro solar é praticamente contínuo em uma faixa extremamente ampla de frequências - desde ondas de rádio de baixa frequência até raios X de ultra-alta frequência e radiação gama. É claro que é difícil capturar esses diferentes tipos de radiação de forma igualmente eficaz (talvez isto só possa ser conseguido teoricamente com a ajuda de um “corpo negro ideal”). Mas isso não é necessário - em primeiro lugar, o próprio Sol emite em diferentes faixas de frequência com intensidades diferentes e, em segundo lugar, nem tudo o que o Sol emite atinge a superfície da Terra - certas partes do espectro são amplamente absorvidas por diferentes componentes da atmosfera - principalmente camada de ozônio, vapor de água e dióxido de carbono.

Portanto, basta determinarmos as faixas de frequência em que o maior fluxo de energia solar é observado na superfície da Terra e utilizá-las. Tradicionalmente, as radiações solar e cósmica são separadas não por frequência, mas por comprimento de onda (isto se deve aos expoentes serem muito grandes para as frequências desta radiação, o que é muito inconveniente - a luz visível em Hertz corresponde à 14ª ordem). Vejamos a dependência da distribuição de energia no comprimento de onda da radiação solar.

A faixa de luz visível é considerada a faixa de comprimento de onda de 380 nm (violeta profundo) a 760 nm (vermelho escuro). Qualquer coisa que tenha um comprimento de onda mais curto tem maior energia de fótons e é dividida em faixas de radiação ultravioleta, raios X e radiação gama. Apesar da alta energia dos fótons, não há tantos fótons nessas faixas, então a contribuição energética total desta parte do espectro é muito pequena. Tudo o que tem comprimento de onda maior tem menor energia de fótons em comparação com a luz visível e é dividido em faixa infravermelha (radiação térmica) e várias partes da faixa de rádio. O gráfico mostra que na faixa do infravermelho o Sol emite quase a mesma quantidade de energia que no visível (os níveis são menores, mas o alcance é mais amplo), mas na faixa de radiofrequência a energia da radiação é muito pequena.

Assim, do ponto de vista energético, basta nos limitarmos às faixas de frequência visível e infravermelha, bem como ao ultravioleta próximo (algo até 300 nm, o ultravioleta duro de comprimento de onda mais curto é quase completamente absorvido no chamado camada de ozônio, garantindo a síntese desse mesmo ozônio a partir do oxigênio atmosférico) . E a maior parte da energia solar que atinge a superfície da Terra está concentrada na faixa de comprimento de onda de 300 a 1.800 nm.

Limitações ao usar energia solar

As principais limitações associadas ao uso da energia solar são causadas pela sua inconsistência - as instalações solares não funcionam à noite e são ineficazes em tempo nublado. Isso é óbvio para quase todos.

No entanto, há mais uma circunstância que é especialmente relevante para nossas latitudes mais ao norte - diferenças sazonais na duração do dia. Se para as zonas tropicais e equatoriais a duração do dia e da noite depende ligeiramente da época do ano, então já na latitude de Moscovo o dia mais curto é quase 2,5 vezes mais curto que o mais longo! Nem estou falando das regiões circumpolares... Como resultado, num dia claro de verão, uma instalação solar perto de Moscou não pode produzir menos energia do que no equador (o sol está mais baixo, mas o dia é mais longo). Porém, no inverno, quando a necessidade de energia é especialmente elevada, a sua produção, pelo contrário, diminuirá várias vezes. Na verdade, além das curtas horas de luz do dia, os raios do sol baixo de inverno, mesmo ao meio-dia, devem passar por uma camada muito mais espessa da atmosfera e, portanto, perder significativamente mais energia neste caminho do que no verão, quando o sol está alto e os raios passam pela atmosfera quase verticalmente (a expressão “sol frio de inverno” tem o significado físico mais direto). No entanto, isto não significa que as instalações solares na zona média e mesmo em zonas muito mais a norte sejam completamente inúteis - embora sejam de pouca utilidade no inverno, durante o período de dias longos, pelo menos seis meses entre os equinócios da primavera e do outono. , eles são bastante eficazes.

Particularmente interessante é a utilização de instalações solares para alimentar os aparelhos de ar condicionado cada vez mais difundidos, mas muito “glutões”. Afinal, quanto mais forte o sol brilha, mais quente fica e mais ar condicionado é necessário. Mas nessas condições, as instalações solares também são capazes de gerar mais energia, e essa energia será utilizada pelo ar condicionado “aqui e agora”; não precisa ser acumulada e armazenada! Além disso, não é necessário converter energia em forma elétrica - os motores térmicos de absorção usam o calor diretamente, o que significa que, em vez de baterias fotovoltaicas, você pode usar coletores solares, que são mais eficazes em climas claros e quentes. É verdade que acredito que os aparelhos de ar condicionado são indispensáveis ​​apenas em regiões quentes e sem água e em climas tropicais úmidos, bem como nas cidades modernas, independentemente de sua localização. Uma casa de campo bem projetada e construída, não apenas na zona intermediária, mas também na maior parte do sul da Rússia, não precisa de um dispositivo tão faminto de energia, volumoso, barulhento e caprichoso.

Infelizmente, nas áreas urbanas, a utilização individual de instalações solares mais ou menos potentes, com qualquer benefício prático perceptível, só é possível em casos raros e em circunstâncias particularmente afortunadas. No entanto, não considero um apartamento na cidade uma habitação completa, uma vez que o seu funcionamento normal depende de demasiados factores que não estão disponíveis ao controlo directo dos residentes por razões puramente técnicas e, portanto, em caso de falha de pelo menos um dos sistemas de suporte de vida por mais ou menos tempo Em um prédio de apartamentos moderno, as condições ali não serão aceitáveis ​​​​para viver (em vez disso, um apartamento em um prédio alto deve ser considerado uma espécie de quarto de hotel, que os moradores compraram para uso indeterminado ou alugaram no município). Mas fora da cidade, atenção especial à energia solar pode ser mais do que justificada, mesmo em um pequeno terreno de 6 hectares.

Características de colocação de painéis solares

A escolha da orientação ideal dos painéis solares é uma das questões mais importantes na utilização prática de instalações solares de qualquer tipo. Infelizmente, este aspecto é muito pouco discutido em vários sites dedicados à energia solar, embora negligenciá-lo possa reduzir a eficiência dos painéis a níveis inaceitáveis.

O fato é que o ângulo de incidência dos raios na superfície afeta muito o coeficiente de reflexão e, portanto, a proporção de energia solar não receptiva. Por exemplo, para o vidro, quando o ângulo de incidência se desvia da perpendicular à sua superfície em até 30°, o coeficiente de reflexão praticamente não muda e é ligeiramente inferior a 5%, ou seja, mais de 95% da radiação incidente passa para dentro. Além disso, o aumento na reflexão torna-se perceptível e, em 60°, a proporção da radiação refletida duplica - quase para 10%. Em um ângulo de incidência de 70°, cerca de 20% da radiação é refletida e em 80° - 40%. Para a maioria das outras substâncias, a dependência do grau de reflexão no ângulo de incidência é aproximadamente a mesma.

Ainda mais importante é a chamada área efetiva do painel, ou seja, a seção transversal do fluxo de radiação que cobre. É igual à área real do painel multiplicada pelo seno do ângulo entre o seu plano e a direção do fluxo (ou, o que dá o mesmo, pelo cosseno do ângulo entre a perpendicular ao painel e a direção de fluxo). Portanto, se o painel for perpendicular ao fluxo, sua área efetiva é igual à sua área real, se o fluxo tiver se desviado da perpendicular em 60°, é metade da área real, e se o fluxo for paralelo ao painel, sua área efetiva é zero. Assim, um desvio significativo do fluxo perpendicular ao painel não só aumenta a reflexão, mas reduz a sua área efetiva, o que provoca uma queda muito perceptível na produção.

Obviamente, para os nossos propósitos, o mais eficaz é uma orientação constante do painel perpendicular ao fluxo dos raios solares. Mas isso exigirá uma mudança na posição do painel em dois planos, já que a posição do Sol no céu depende não só da hora do dia, mas também da época do ano. Embora tal sistema seja certamente tecnicamente possível, é muito complexo e, portanto, caro e pouco confiável.

No entanto, lembremos que em ângulos de incidência de até 30°, o coeficiente de reflexão na interface ar-vidro é mínimo e praticamente inalterado, e ao longo de um ano, o ângulo de ascensão máxima do Sol acima do horizonte se desvia da posição média em não mais que ±23°. A área efetiva do painel ao desviar da perpendicular em 23° também permanece bastante grande - pelo menos 92% de sua área real. Portanto, você pode focar na altura média anual da ascensão máxima do Sol e, praticamente sem perda de eficiência, limitar-se à rotação em apenas um plano - em torno do eixo polar da Terra a uma velocidade de 1 revolução por dia . O ângulo de inclinação do eixo dessa rotação em relação à horizontal é igual à latitude geográfica do local. Por exemplo, para Moscou, localizada a uma latitude de 56°, o eixo dessa rotação deve ser inclinado para o norte em 56° em relação à superfície (ou, o que é a mesma coisa, desviado da vertical em 34°). Essa rotação é muito mais fácil de organizar, porém, um painel grande requer muito espaço para girar suavemente. Além disso, é necessário organizar uma ligação deslizante que permita retirar toda a energia que recebe do painel em rotação constante, ou limitar-se a comunicações flexíveis com ligação fixa, mas garantir o retorno automático do painel à noite - caso contrário, a torção e a quebra das comunicações de remoção de energia não poderão ser evitadas. Ambas as soluções aumentam drasticamente a complexidade e reduzem a confiabilidade do sistema. À medida que a potência dos painéis (e, portanto, o seu tamanho e peso) aumenta, os problemas técnicos tornam-se exponencialmente mais complexos.

Em conexão com tudo isso, quase sempre os painéis das instalações solares individuais são montados de forma imóvel, o que garante um baixo custo relativo e a mais alta confiabilidade da instalação. No entanto, aqui a escolha do ângulo de colocação do painel torna-se especialmente importante. Consideremos esse problema usando o exemplo de Moscou.

Vejamos os diagramas de insolação para vários ângulos de instalação do painel. Claro, o painel girando depois do Sol está fora de competição (linha laranja). No entanto, mesmo em longos dias de verão, a sua eficiência excede a eficiência dos painéis horizontais fixos (azul) e inclinados num ângulo ideal (vermelho) em apenas cerca de 30%. Mas hoje em dia há calor e luz suficientes! Mas durante o período de maior deficiência energética, de Outubro a Fevereiro, a vantagem de um painel rotativo sobre um painel fixo é mínima e quase imperceptível. É verdade que neste momento a empresa do painel inclinado não é um painel horizontal, mas sim um painel vertical (linha verde). E isso não é surpreendente - os raios baixos do sol de inverno deslizam pelo painel horizontal, mas são bem percebidos pelo painel vertical, que é quase perpendicular a eles. Portanto, em fevereiro, novembro e dezembro, o painel vertical é mais eficaz até mesmo do que o inclinado e quase não difere do rotativo. Em março e outubro, os dias são mais longos e o painel rotativo já começa a superar com segurança (embora não muito) quaisquer opções fixas, mas a eficácia dos painéis inclinados e verticais é quase a mesma. E somente no período de dias longos de abril a agosto, o painel horizontal fica à frente do painel vertical em termos de energia recebida e se aproxima do inclinado, e em junho até o supera um pouco. A perda de verão do painel vertical é natural - afinal, digamos, o dia do equinócio de verão dura mais de 17 horas em Moscou, e no hemisfério frontal (de trabalho) do painel vertical o Sol não pode permanecer mais do que 12 horas, as mais de 5 horas restantes (quase um terço das horas do dia!) Ficaram para trás. Se levarmos em conta que em ângulos de incidência superiores a 60°, a proporção de luz refletida na superfície do painel começa a crescer rapidamente e sua área efetiva é reduzida pela metade ou mais, então o tempo de percepção efetiva de a radiação solar desse painel não excede 8 horas - ou seja, menos de 50% da duração total do dia. É justamente isso que explica o fato de o desempenho dos painéis verticais se estabilizar durante todo o período de dias longos - de março a setembro. E por fim, janeiro se destaca um pouco - neste mês o desempenho dos painéis de todas as orientações é quase o mesmo. O fato é que este mês em Moscou está muito nublado, e mais de 90% de toda a energia solar vem de radiação espalhada, e para tal radiação a orientação do painel não é muito importante (o principal é não direcioná-lo para o chão). Porém, alguns dias de sol, que ainda ocorrem em janeiro, reduzem em 20% a produção de um painel horizontal em relação aos demais.

Que ângulo de inclinação você deve escolher? Tudo depende de quando exatamente você precisa de energia solar. Se você quiser usá-lo apenas na estação quente (digamos, no campo), então você deve escolher o chamado ângulo de inclinação “ideal”, perpendicular à posição média do Sol durante o período entre os equinócios de primavera e outono. . É aproximadamente 10° .. 15° menor que a latitude geográfica e para Moscou é 40° .. 45°. Se você precisa de energia o ano todo, então você deve “espremer” o máximo nos meses de inverno com deficiência energética, o que significa que você precisa se concentrar na posição média do Sol entre os equinócios de outono e primavera e colocar os painéis mais próximos de a vertical - 5° .. 15° a mais que a latitude geográfica (para Moscou será 60° .. 70°). Se, por razões arquitetónicas ou de design, for impossível manter tal ângulo e tiver de escolher entre um ângulo de inclinação de 40° ou menos ou uma instalação vertical, deverá preferir a posição vertical. Ao mesmo tempo, a “escassez” de energia nos longos dias de verão não é tão crítica - durante este período há bastante calor e luz natural, e a necessidade de produção de energia geralmente não é tão grande como no inverno e no período de folga. -temporada. Naturalmente, a inclinação do painel deve ser orientada para sul, embora um desvio desta direção de 10° .. 15° para leste ou oeste mude pouco e, portanto, seja bastante aceitável.

A colocação horizontal de painéis solares em toda a Rússia é ineficaz e completamente injustificada. Além de uma diminuição muito grande na produção de energia no período outono-inverno, a poeira se acumula intensamente nos painéis horizontais, e também a neve no inverno, e só podem ser removidas com a ajuda de uma limpeza especialmente organizada (geralmente manualmente). Se a inclinação do painel exceder 60°, a neve em sua superfície não permanece muito e geralmente se desintegra rapidamente por conta própria, e uma fina camada de poeira é facilmente removida pela chuva.

Dado que os preços dos equipamentos solares têm vindo a descer recentemente, poderá ser vantajoso, em vez de um único campo de painéis solares orientado a sul, utilizar dois com maior potência total, orientados para adjacentes (sudeste e sudoeste) e mesmo opostos (leste). e oeste) direções cardeais. Isso garantirá uma produção mais uniforme em dias ensolarados e maior produção em dias nublados, enquanto o restante do equipamento permanecerá projetado para a mesma potência relativamente baixa e, portanto, será mais compacto e barato.

E uma última coisa. O vidro, cuja superfície não é lisa, mas possui um relevo especial, é capaz de perceber a luz lateral com muito mais eficiência e transmiti-la aos elementos de trabalho do painel solar. O mais ideal parece ser um relevo ondulado com orientação de saliências e depressões de norte a sul (para painéis verticais - de cima para baixo) - uma espécie de lente linear. O vidro ondulado pode aumentar a produção de um painel fixo em 5% ou mais.

Tipos tradicionais de instalações de energia solar

De tempos em tempos há relatos sobre a construção de outra usina solar (PPE) ou usina de dessalinização. Coletores solares térmicos e painéis solares fotovoltaicos são utilizados em todo o mundo, da África à Escandinávia. Esses métodos de uso da energia solar vêm se desenvolvendo há décadas e muitos sites na Internet são dedicados a eles. Portanto, aqui irei considerá-los em termos muito gerais. No entanto, um ponto importante praticamente não é abordado na Internet - é a escolha de parâmetros específicos ao criar um sistema individual de fornecimento de energia solar. Entretanto, esta questão não é tão simples como parece à primeira vista. Um exemplo de escolha de parâmetros para um sistema movido a energia solar é fornecido em uma página separada.

Painéis solares

De modo geral, uma “bateria solar” pode ser entendida como qualquer conjunto de módulos idênticos que percebem a radiação solar e são combinados em um único dispositivo, inclusive puramente térmicos, mas tradicionalmente esse termo tem sido atribuído especificamente aos painéis conversores fotoelétricos. Portanto, o termo “bateria solar” quase sempre se refere a um dispositivo fotovoltaico que converte diretamente a radiação solar em corrente elétrica. Esta tecnologia tem se desenvolvido ativamente desde meados do século XX. Um enorme incentivo para o seu desenvolvimento foi a exploração do espaço exterior, onde as baterias solares só podem atualmente competir com fontes de energia nuclear de pequena dimensão em termos de energia produzida e tempo de funcionamento. Durante este período, a eficiência de conversão das baterias solares aumentou de um ou dois por cento para 17% ou mais em modelos relativamente baratos produzidos em massa e mais de 42% em protótipos. A vida útil e a confiabilidade operacional aumentaram significativamente.

Vantagens dos painéis solares

A principal vantagem dos painéis solares é a extrema simplicidade do design e a completa ausência de peças móveis. O resultado é um baixo peso específico e despretensão aliado a alta confiabilidade, bem como a instalação mais simples possível e requisitos mínimos de manutenção durante a operação (normalmente basta remover a sujeira da superfície de trabalho à medida que ela se acumula). Representando elementos planos de pequena espessura, são colocados com bastante sucesso na encosta de um telhado voltado para o sol ou na parede de uma casa, praticamente sem exigir espaço adicional ou a construção de estruturas volumosas separadas. A única condição é que nada os obscureça pelo maior tempo possível.

Outra vantagem importante é que a energia é gerada imediatamente na forma de eletricidade – na forma mais universal e conveniente até hoje.

Infelizmente, nada dura para sempre - a eficiência dos conversores fotovoltaicos diminui ao longo da sua vida útil. Os wafers semicondutores, que normalmente compõem os painéis solares, degradam-se com o tempo e perdem suas propriedades, fazendo com que a eficiência já não muito alta das células solares se torne ainda menor. A exposição prolongada a altas temperaturas acelera esse processo. A princípio notei isso como uma desvantagem das baterias fotovoltaicas, especialmente porque as células fotovoltaicas “mortas” não podem ser restauradas. No entanto, é improvável que qualquer gerador elétrico mecânico seja capaz de demonstrar pelo menos 1% de eficiência após apenas 10 anos de operação contínua - muito provavelmente exigirá reparos sérios muito mais cedo devido ao desgaste mecânico, se não dos rolamentos, então das escovas - e os fotoconversores modernos são capazes de manter sua eficiência por décadas. De acordo com estimativas optimistas, ao longo de 25 anos a eficiência de uma bateria solar diminui apenas 10%, o que significa que se outros factores não intervirem, mesmo após 100 anos permanecerão quase 2/3 da eficiência original. No entanto, para células fotovoltaicas comerciais em massa baseadas em silício poli e monocristalino, fabricantes e vendedores honestos fornecem números de envelhecimento ligeiramente diferentes - após 20 anos deve-se esperar uma perda de até 20% de eficiência (então, teoricamente, após 40 anos a eficiência será 2/3 da produtividade original, reduzida à metade em 60 anos, e após 100 anos permanecerá um pouco menos de 1/3 da produtividade original). Em geral, a vida útil normal dos fotoconversores modernos é de pelo menos 25...30 anos, portanto a degradação não é tão crítica e é muito mais importante limpar a poeira deles em tempo hábil...

Se as baterias forem instaladas de forma que praticamente não haja poeira natural ou sejam prontamente lavadas pelas chuvas naturais, elas poderão operar sem qualquer manutenção por muitos anos. A capacidade de operar por tanto tempo em modo livre de manutenção é outra grande vantagem.

Finalmente, os painéis solares são capazes de produzir energia do amanhecer ao anoitecer, mesmo em tempo nublado, quando os colectores solares térmicos são apenas ligeiramente diferentes da temperatura ambiente. É claro que, em comparação com um dia claro e ensolarado, sua produtividade cai muitas vezes, mas algo é melhor do que nada! Neste sentido, o desenvolvimento de baterias com máxima conversão de energia nas faixas onde as nuvens absorvem menos a radiação solar é de particular interesse. Além disso, ao escolher fotoconversores solares, deve-se prestar atenção à dependência da tensão que eles produzem com a iluminação - deve ser a menor possível (quando a iluminação diminui, a corrente, e não a tensão, deve primeiro cair, porque caso contrário, para obter pelo menos algum efeito útil em Em dias nublados, você terá que usar equipamentos adicionais caros que aumentam forçosamente a tensão ao mínimo suficiente para carregar as baterias e operar os inversores).

Desvantagens dos painéis solares

É claro que os painéis solares têm muitas desvantagens. Além de depender do clima e da hora do dia, pode-se observar o seguinte.

Baixa eficiencia. O mesmo coletor solar, com a escolha correta da forma e do material da superfície, é capaz de absorver quase toda a radiação solar que o atinge em quase todo o espectro de frequências que transportam energia perceptível - do infravermelho distante ao ultravioleta. As baterias solares convertem energia seletivamente - para a excitação funcional dos átomos, são necessárias certas energias de fótons (frequências de radiação), portanto, em algumas bandas de frequência a conversão é muito eficaz, enquanto outras faixas de frequência são inúteis para elas. Além disso, a energia dos fótons por eles captados é aproveitada de forma quântica - seu “excesso”, ultrapassando o nível exigido, vai para o aquecimento do material fotoconversor, o que neste caso é prejudicial. Isto é em grande parte o que explica sua baixa eficiência.
A propósito, se você escolher o material de revestimento protetor errado, poderá reduzir significativamente a eficiência da bateria. A questão é agravada pelo fato de que o vidro comum absorve muito bem a parte ultravioleta de alta energia da faixa e, para alguns tipos de fotocélulas, essa faixa específica é muito relevante - a energia dos fótons infravermelhos é muito baixa para elas.

Sensibilidade a altas temperaturas. À medida que as temperaturas aumentam, a eficiência das células solares, como quase todos os outros dispositivos semicondutores, diminui. A temperaturas superiores a 100..125°C, podem perder temporariamente a sua funcionalidade e um aquecimento ainda maior ameaça os seus danos irreversíveis. Além disso, temperaturas elevadas aceleram a degradação das fotocélulas. Portanto, é necessário tomar todas as medidas para reduzir o aquecimento que é inevitável sob os escaldantes raios solares diretos. Normalmente, os fabricantes limitam a faixa de temperatura nominal de operação das fotocélulas a +70°..+90°C (isto significa aquecimento dos próprios elementos, e a temperatura ambiente, naturalmente, deve ser muito mais baixa).
Para complicar ainda mais a situação, a superfície sensível das fotocélulas bastante frágeis é frequentemente coberta com vidro protetor ou plástico transparente. Se permanecer um espaço de ar entre a capa protetora e a superfície da fotocélula, forma-se uma espécie de “estufa”, agravando o superaquecimento. É verdade que aumentando a distância entre o vidro protetor e a superfície da fotocélula e conectando esta cavidade com a atmosfera acima e abaixo, é possível organizar um fluxo de ar de convecção que resfria naturalmente as fotocélulas. No entanto, sob luz solar intensa e em altas temperaturas externas, isso pode não ser suficiente, além disso, este método contribui para a pulverização acelerada da superfície de trabalho das fotocélulas. Portanto, mesmo uma bateria solar não muito grande pode exigir um sistema de refrigeração especial. Para ser justo, deve-se dizer que tais sistemas geralmente são facilmente automatizados e o ventilador ou acionamento da bomba consome apenas uma pequena fração da energia gerada. Na ausência de sol forte, não há muito aquecimento e nenhum resfriamento é necessário, portanto a energia economizada na condução do sistema de refrigeração pode ser utilizada para outros fins. Deve-se notar que em painéis modernos fabricados em fábrica, o revestimento protetor geralmente se ajusta perfeitamente à superfície das fotocélulas e remove o calor para fora, mas em designs caseiros, o contato mecânico com o vidro protetor pode danificar a fotocélula.

Sensibilidade à irregularidade da iluminação. Via de regra, para obter na saída da bateria uma tensão mais ou menos conveniente de uso (12, 24 ou mais volts), as fotocélulas são conectadas em circuitos em série. A corrente em cada um desses circuitos e, portanto, sua potência, é determinada pelo elo mais fraco - uma fotocélula com as piores características ou com a iluminação mais baixa. Portanto, se pelo menos um elemento do circuito estiver na sombra, isso reduz significativamente a saída de todo o circuito - as perdas são desproporcionais ao sombreamento (além disso, na ausência de diodos de proteção, tal elemento começará a dissipar o energia gerada pelos elementos restantes!). Uma redução desproporcional na saída só pode ser evitada conectando todas as fotocélulas em paralelo, mas então a saída da bateria terá muita corrente com uma tensão muito baixa - geralmente para fotocélulas individuais é de apenas 0,5 .. 0,7 V, dependendo do tipo e tamanho da carga.

Sensibilidade à poluição. Mesmo uma camada de sujeira quase imperceptível na superfície das células solares ou do vidro protetor pode absorver uma porção significativa da luz solar e reduzir significativamente a produção de energia. Em uma cidade empoeirada, isso exigirá limpeza frequente da superfície dos painéis solares, especialmente aqueles instalados horizontalmente ou ligeiramente inclinados. Claro, o mesmo procedimento é necessário após cada queda de neve e após uma tempestade de poeira... No entanto, longe de cidades, zonas industriais, estradas movimentadas e outras fontes fortes de poeira em um ângulo de 45° ou mais, a chuva é perfeitamente capaz de removendo a poeira natural da superfície dos painéis, mantendo-os “automaticamente” em estado bastante limpo. E a neve nessa encosta, que também está voltada para o sul, costuma não durar muito, mesmo em dias muito gelados. Assim, longe de fontes de poluição atmosférica, os painéis solares podem funcionar com sucesso durante anos sem qualquer manutenção, se ao menos houvesse sol no céu!

Finalmente, o último mas mais importante obstáculo à adopção generalizada de painéis solares fotovoltaicos é o seu preço bastante elevado. O custo dos elementos da bateria solar é atualmente de pelo menos 1 $/W (1 kW - $1000), e isto é para modificações de baixa eficiência sem levar em conta o custo de montagem e instalação dos painéis, bem como sem levar em conta o preço de baterias, controladores de carregamento e inversores (conversores da corrente contínua de baixa tensão gerada).corrente para um padrão doméstico ou industrial). Na maioria dos casos, para uma estimativa mínima dos custos reais, esses números devem ser multiplicados por 3 a 5 vezes na automontagem a partir de células solares individuais e por 6 a 10 vezes na compra de conjuntos de equipamentos prontos (mais custos de instalação).

De todos os elementos de um sistema de alimentação que utiliza baterias fotovoltaicas, as baterias têm a vida útil mais curta, mas os fabricantes de baterias modernas livres de manutenção afirmam que no chamado modo buffer elas funcionarão por cerca de 10 anos (ou funcionarão fora os tradicionais 1000 ciclos de carga e descarga fortes - se você contar um ciclo por dia, então neste modo eles durarão 3 anos). Observo que o custo das baterias geralmente é de apenas 10-20% do custo total de todo o sistema, e o custo dos inversores e controladores de carga (ambos são produtos eletrônicos complexos e, portanto, há alguma probabilidade de sua falha) é ainda menos. Assim, tendo em conta a longa vida útil e a capacidade de trabalhar durante muito tempo sem qualquer manutenção, os fotoconversores podem muito bem pagar-se mais do que uma vez durante a sua vida, e não apenas em áreas remotas, mas também em áreas povoadas - se houver eletricidade as tarifas continuarão a crescer no ritmo atual!

Coletores solares térmicos

O nome “coletores solares” é atribuído a dispositivos que utilizam aquecimento direto por calor solar, tanto simples quanto empilháveis ​​(modulares). O exemplo mais simples de coletor solar térmico é um tanque de água preta no telhado do chuveiro rural mencionado acima (a propósito, a eficiência do aquecimento de água em um chuveiro de verão pode ser significativamente aumentada construindo uma mini-estufa ao redor do tanque , pelo menos a partir de um filme plástico; é desejável que entre o filme e as paredes do tanque na parte superior e nas laterais haja um vão de 4-5 cm).

No entanto, os colecionadores modernos têm pouca semelhança com esse tanque. Geralmente são estruturas planas feitas de tubos finos e enegrecidos dispostos em forma de treliça ou cobra. Os tubos podem ser montados em uma folha de substrato condutora de calor enegrecida, que retém o calor solar que entra nos espaços entre eles - isso permite que o comprimento total dos tubos seja reduzido sem perda de eficiência. Para reduzir a perda de calor e aumentar o aquecimento, a parte superior do coletor pode ser coberta com uma folha de vidro ou policarbonato celular transparente e, no verso da folha de distribuição de calor, a perda de calor inútil é evitada por uma camada de isolamento térmico - obtém-se uma espécie de “estufa”. Água aquecida ou outro líquido refrigerante se move através do tubo, que pode ser coletado em um tanque de armazenamento isolado termicamente. O refrigerante se move sob a ação de uma bomba ou por gravidade devido à diferença nas densidades do refrigerante antes e depois do coletor térmico. Neste último caso, uma circulação mais ou menos eficiente requer uma seleção cuidadosa de inclinações e seções de tubos e a colocação do próprio coletor o mais baixo possível. Mas geralmente o coletor é colocado nos mesmos lugares que a bateria solar - em uma parede ensolarada ou em um telhado ensolarado, embora um tanque de armazenamento adicional deva ser colocado em algum lugar. Sem esse tanque, durante a recuperação intensiva de calor (digamos, se você precisar encher uma banheira ou tomar banho), a capacidade do coletor pode não ser suficiente e, após um curto período de tempo, água levemente aquecida fluirá da torneira.

O vidro protetor, é claro, reduz um pouco a eficiência do coletor, absorvendo e refletindo vários por cento da energia solar, mesmo que os raios caiam perpendicularmente. Quando os raios atingem o vidro ligeiramente inclinado em relação à superfície, o coeficiente de reflexão pode se aproximar de 100%. Portanto, na ausência de vento e na necessidade de apenas um ligeiro aquecimento em relação ao ar circundante (de 5 a 10 graus, digamos, para regar um jardim), as estruturas “abertas” podem ser mais eficazes do que as “envidraçadas”. Mas assim que é necessária uma diferença de temperatura de várias dezenas de graus, ou mesmo se sopra um vento não muito forte, a perda de calor das estruturas abertas aumenta rapidamente e o vidro protetor, apesar de todas as suas deficiências, torna-se uma necessidade.

Uma observação importante - é necessário levar em consideração que em um dia quente e ensolarado, se não for analisado, a água pode superaquecer acima do ponto de ebulição, portanto, é necessário tomar os devidos cuidados no projeto do coletor (fornecer um segurança válvula). Em coletores abertos sem vidro protetor, esse superaquecimento geralmente não é uma preocupação.

Recentemente, coletores solares baseados nos chamados tubos de calor começaram a ser amplamente utilizados (não confundir com “tubos de calor” usados ​​para remoção de calor em sistemas de refrigeração de computadores!). Ao contrário do projeto discutido acima, aqui cada tubo de metal aquecido através do qual o refrigerante circula é soldado dentro de um tubo de vidro e o ar é bombeado para fora do espaço entre eles. Acontece que é um análogo de uma garrafa térmica, onde, devido ao isolamento térmico a vácuo, a perda de calor é reduzida em 20 vezes ou mais. Como resultado, de acordo com os fabricantes, quando há uma geada de -35°C fora do vidro, a água no tubo metálico interno com um revestimento especial que absorve o espectro mais amplo possível de radiação solar é aquecida a +50.. +70°C (uma diferença de mais de 100°C). A absorção eficiente combinada com um excelente isolamento térmico permite aquecer o refrigerante mesmo em tempo nublado, embora o poder de aquecimento, é claro, seja várias vezes menor do que sob luz solar intensa. O ponto chave aqui é garantir a preservação do vácuo no vão entre os tubos, ou seja, a estanqueidade ao vácuo da junção do vidro e do metal, em uma faixa de temperatura muito ampla, chegando a 150 ° C, ao longo de toda a vida útil. de muitos anos. Por esta razão, na fabricação de tais coletores é impossível prescindir de uma coordenação cuidadosa dos coeficientes de dilatação térmica do vidro e do metal e dos processos de produção de alta tecnologia, o que significa que em condições artesanais dificilmente será possível fazer um tubo de calor a vácuo completo. Mas projetos de coletores mais simples podem ser feitos de forma independente e sem problemas, embora, é claro, sua eficiência seja um pouco menor, especialmente no inverno.

Além dos coletores solares líquidos descritos acima, existem outros tipos interessantes de estruturas: ar (o refrigerante é o ar e não tem medo de congelar), “lagoas solares”, etc. é dedicado especificamente a modelos líquidos, portanto tipos alternativos praticamente não são produzidos em massa e não há muita informação sobre eles.

Vantagens dos coletores solares

A vantagem mais importante dos coletores solares é a simplicidade e o relativo baixo custo de fabricação de suas opções bastante eficazes, aliados à despretensão na operação. O mínimo necessário para fazer um coletor com as próprias mãos são alguns metros de tubo fino (de preferência cobre de parede fina - pode ser dobrado com um raio mínimo) e um pouco de tinta preta, pelo menos verniz betuminoso. Dobramos o tubo como uma cobra, pintamos com tinta preta, colocamos em local ensolarado, conectamos na rede de água e agora o coletor solar mais simples está pronto! Ao mesmo tempo, a bobina pode facilmente receber quase qualquer configuração e aproveitar ao máximo todo o espaço alocado para o coletor. O escurecimento aplicado em casa mais eficaz, que também é muito resistente a altas temperaturas e à luz solar direta, é uma fina camada de negro de fumo. No entanto, a fuligem é facilmente apagada e lavada, portanto, esse escurecimento certamente exigirá vidro protetor e medidas especiais para evitar que possível condensação entre na superfície coberta de fuligem.

Outra vantagem importante dos coletores é que, diferentemente dos painéis solares, eles são capazes de captar e converter em calor até 90% da radiação solar que os atinge e, nos casos de maior sucesso, ainda mais. Portanto, não apenas em tempo claro, mas também em condições de pouca nebulosidade, a eficiência dos coletores excede a eficiência das baterias fotovoltaicas. Finalmente, ao contrário das baterias fotovoltaicas, a iluminação irregular da superfície não causa uma redução desproporcional na eficiência do coletor - apenas o fluxo de radiação total (integrado) é importante.

Desvantagens dos coletores solares

Mas os coletores solares são mais sensíveis às condições climáticas do que os painéis solares. Mesmo sob sol forte, um vento fresco pode reduzir muitas vezes a eficiência de aquecimento de um trocador de calor aberto. O vidro protetor, é claro, reduz drasticamente a perda de calor do vento, mas no caso de nuvens densas também é impotente. Em tempo nublado e ventoso praticamente não há utilidade do coletor, mas a bateria solar produz pelo menos alguma energia.

Entre outras desvantagens dos coletores solares, destacarei em primeiro lugar a sua sazonalidade. Pequenas geadas noturnas de primavera ou outono são suficientes para que o gelo formado nos tubos do aquecedor crie o perigo de sua ruptura. Claro, isso pode ser eliminado aquecendo a “estufa” com uma serpentina com fonte de calor de terceiros em noites frias, mas neste caso a eficiência energética geral do coletor pode facilmente tornar-se negativa! Outra opção - coletor de circuito duplo com anticongelante no circuito externo - não exigirá consumo de energia para aquecimento, mas será muito mais complicado do que as opções de circuito único com aquecimento direto de água, tanto na fabricação quanto durante a operação. Em princípio, as estruturas de ar não podem congelar, mas há outro problema - a baixa capacidade térmica específica do ar.

E, no entanto, talvez a principal desvantagem de um coletor solar seja que ele é precisamente um dispositivo de aquecimento e, embora amostras fabricadas industrialmente, na ausência de análise de calor, possam aquecer o refrigerante a 190..200 ° C, a temperatura normalmente alcançada raramente excede 60..80 °C. Portanto, é muito difícil utilizar o calor extraído para obter quantidades significativas de trabalho mecânico ou energia elétrica. Afinal, mesmo para o funcionamento da turbina vapor-água de temperatura mais baixa (por exemplo, aquela que V.A. Zysin descreveu uma vez) é necessário superaquecer a água a pelo menos 110°C! E a energia diretamente na forma de calor, como se sabe, não é armazenada por muito tempo e, em temperaturas abaixo de 100°C, normalmente só pode ser utilizada no abastecimento de água quente e no aquecimento de uma casa. Porém, dado o baixo custo e a facilidade de fabricação, este pode ser motivo suficiente para adquirir seu próprio coletor solar.

Para ser justo, deve-se notar que o ciclo operacional “normal” de uma máquina térmica pode ser organizado em temperaturas abaixo de 100 ° C - ou se o ponto de ebulição for reduzido reduzindo a pressão na parte de evaporação bombeando vapor de lá , ou utilizando um líquido cujo ponto de ebulição esteja entre a temperatura de aquecimento do coletor solar e a temperatura do ar ambiente (idealmente - 50..60°C). É verdade que só me lembro de um líquido não exótico e relativamente seguro que satisfaz mais ou menos estas condições - o álcool etílico, que em condições normais ferve a 78°C. Obviamente, neste caso será necessário organizar um ciclo fechado, resolvendo muitos problemas relacionados. Em algumas situações, o uso de motores aquecidos externamente (motores Stirling) pode ser promissor. Interessante a este respeito também pode ser o uso de ligas com efeito de memória de forma, que são descritas neste site no artigo de I. V. Nigel - elas só precisam de uma diferença de temperatura de 25-30°C para operar.

Concentração de Energia Solar

Aumentar a eficiência de um coletor solar envolve principalmente um aumento constante na temperatura da água aquecida acima do ponto de ebulição. Isso geralmente é feito concentrando a energia solar em um coletor por meio de espelhos. Este é o princípio subjacente à maioria das centrais solares; as diferenças residem apenas no número, configuração e colocação dos espelhos e colectores, bem como nos métodos de controlo dos espelhos. Como resultado, no ponto de foco é bem possível atingir uma temperatura não de centenas, mas de milhares de graus - nessa temperatura, já pode ocorrer a decomposição térmica direta da água em hidrogênio e oxigênio (o hidrogênio resultante pode ser queimado à noite e em dias nublados)!

Infelizmente, a operação eficaz de tal instalação é impossível sem um complexo sistema de controle para concentração de espelhos, que deve rastrear a posição em constante mudança do Sol no céu. Caso contrário, dentro de alguns minutos o ponto de foco deixará o coletor, que em tais sistemas costuma ser de tamanho muito pequeno, e o aquecimento do fluido de trabalho irá parar. Mesmo o uso de espelhos parabolóides resolve apenas parcialmente o problema - se eles não girarem periodicamente após o Sol, depois de algumas horas ele não cairá mais em sua tigela ou apenas iluminará sua borda - isso será de pouca utilidade.

A maneira mais fácil de concentrar a energia solar em casa é colocar um espelho horizontalmente próximo ao coletor para que o sol incida sobre o coletor a maior parte do dia. Uma opção interessante é usar a superfície de um reservatório especialmente criado próximo à casa como espelho, especialmente se não for um reservatório comum, mas um “lago solar” (embora isso não seja fácil de fazer, e a eficiência de reflexão irá ser muito menor que a de um espelho comum). Um bom resultado pode ser alcançado criando um sistema de espelhos concentradores verticais (esta tarefa é geralmente muito mais problemática, mas em alguns casos pode ser justificado simplesmente instalar um grande espelho numa parede adjacente se formar um ângulo interno com o colector - tudo depende da configuração e localização do edifício e do colector).

Redirecionar a radiação solar usando espelhos também pode aumentar a produção de uma bateria fotovoltaica. Mas, ao mesmo tempo, seu aquecimento aumenta e isso pode danificar a bateria. Portanto, neste caso, você deve se limitar a um ganho relativamente pequeno (algumas dezenas de por cento, mas não várias vezes) e monitorar cuidadosamente a temperatura da bateria, especialmente em dias quentes e claros! É precisamente por causa do perigo de superaquecimento que alguns fabricantes de baterias fotovoltaicas proíbem diretamente o funcionamento de seus produtos sob iluminação aumentada criada com a ajuda de refletores adicionais.

Convertendo energia solar em energia mecânica

Os tipos tradicionais de instalações solares não produzem trabalho mecânico diretamente. Para isso, um motor elétrico deve ser conectado a uma bateria solar em fotoconversores e, ao usar um coletor solar térmico, o vapor superaquecido (e para superaquecimento é improvável que seja possível sem concentrar espelhos) deve ser fornecido à entrada de um vapor turbina ou aos cilindros de uma máquina a vapor. Coletores com relativamente pouco calor podem converter calor em movimento mecânico de maneiras mais exóticas, como o uso de atuadores de liga com memória de forma.

No entanto, também existem instalações que envolvem a conversão do calor solar em trabalho mecânico, que é diretamente incorporado no seu projeto. Além disso, seus tamanhos e potência são muito diferentes - este é um projeto para uma enorme torre solar com centenas de metros de altura e uma modesta bomba solar, que pertenceria a uma casa de verão.

Vivemos no mundo do futuro, embora isso não seja perceptível em todas as regiões. Em qualquer caso, a possibilidade de desenvolver novas fontes de energia está hoje a ser seriamente discutida nos círculos progressistas. Uma das áreas mais promissoras é a energia solar.

Atualmente, cerca de 1% da eletricidade da Terra é obtida a partir do processamento da radiação solar. Então, por que ainda não desistimos de outros métodos “prejudiciais” e iremos desistir? Convidamos você a ler nosso artigo e tentar responder você mesmo a esta pergunta.

Como a energia solar é convertida em eletricidade

Vamos começar com o mais importante: como os raios solares são transformados em eletricidade.

O processo em si é chamado "Geração Solar" . As maneiras mais eficazes de garantir isso são as seguintes:

• energia fotovoltaica;
• energia solar térmica;
• usinas de balão solar.

Vejamos cada um deles.

Fotovoltaica

Neste caso, a corrente elétrica aparece devido a efeito fotovoltaico. O princípio é este: a luz solar atinge uma fotocélula, os elétrons absorvem a energia dos fótons (partículas de luz) e começam a se mover. Como resultado, obtemos tensão elétrica.

É exatamente esse o processo que ocorre nos painéis solares, que se baseiam em elementos que convertem a radiação solar em eletricidade.

O próprio design dos painéis fotovoltaicos é bastante flexível e pode ter diferentes tamanhos. Portanto, são muito práticos de usar. Além disso, os painéis possuem propriedades de alto desempenho: são resistentes à precipitação e às mudanças de temperatura.

E é assim que funciona módulo de painel solar separado:

Você pode ler sobre o uso de painéis solares como carregadores, fontes de energia para residências particulares, para melhoria urbana e para fins médicos.

Painéis solares modernos e usinas de energia

Exemplos recentes incluem os painéis solares da empresa SistinaSolar. Eles podem ter qualquer tonalidade e textura, ao contrário dos tradicionais painéis azuis escuros. Isso significa que eles podem ser usados ​​para “decorar” o telhado da casa como você quiser.

Outra solução foi proposta pelos desenvolvedores do Tesla. Eles lançaram não apenas painéis, mas materiais de cobertura completos que processam energia solar. contém módulos solares integrados e também pode ter uma ampla variedade de designs. Ao mesmo tempo, o material em si é muito mais resistente do que as telhas comuns; o Solar Roof ainda tem uma garantia infinita.

Um exemplo de usina solar completa é uma estação recentemente construída na Europa com painéis dupla-face. Estes últimos coletam radiação solar direta e radiação reflexiva. Isso permite aumentar a eficiência da geração solar em 30%. Esta estação deverá gerar cerca de 400 MWh por ano.

De interesse também é a maior usina solar flutuante da China. Sua potência é de 40 MW. Tais soluções têm 3 vantagens importantes:

• não há necessidade de ocupar grandes áreas de terra, o que é importante para a China;
• nos reservatórios, a evaporação da água diminui;
• As próprias fotocélulas aquecem menos e funcionam com mais eficiência.

A propósito, esta usina solar flutuante foi construída no local de uma empresa abandonada de mineração de carvão.

A tecnologia baseada no efeito fotovoltaico é a mais promissora da atualidade e, segundo especialistas, os painéis solares serão capazes de produzir cerca de 20% da demanda mundial de eletricidade nos próximos 30-40 anos.

Energia solar térmica

Aqui a abordagem é um pouco diferente, porque... a radiação solar é usada para aquecer um recipiente contendo líquido. Graças a isso, ele se transforma em vapor, que gira uma turbina, resultando na geração de energia elétrica.

As usinas termelétricas funcionam com o mesmo princípio, apenas o líquido é aquecido pela queima do carvão.

O exemplo mais óbvio do uso desta tecnologia é Estação Solar Ivanpah no deserto de Mojave. É a maior usina solar térmica do mundo.

Está em funcionamento desde 2014 e não utiliza nenhum combustível para produzir eletricidade – apenas energia solar ecologicamente correta.

A caldeira de água está localizada nas torres, que você pode ver no centro da estrutura. Ao redor existe um campo de espelhos que direcionam os raios solares para o topo da torre. Ao mesmo tempo, o computador gira constantemente esses espelhos dependendo da localização do sol.

Sob a influência da energia solar concentrada, a água da torre aquece e se transforma em vapor. Isso cria pressão e o vapor começa a girar a turbina, resultando na liberação de eletricidade. A potência desta estação é de 392 megawatts, o que pode ser facilmente comparado com a média das usinas termelétricas de Moscou.

Curiosamente, essas estações também podem funcionar à noite. Isso é possível armazenando parte do vapor aquecido e utilizando-o gradativamente para girar a turbina.

Usinas de balão solar

Esta solução original, embora não seja amplamente utilizada, ainda tem lugar.

A instalação em si consiste em 4 partes principais:

• Aeróstato – localizado no céu, coletando radiação solar. A água entra na bola e aquece rapidamente, transformando-se em vapor.
• Tubulação de vapor - através dela, o vapor sob pressão desce até a turbina, fazendo-a girar.
• Turbina - sob a influência de um fluxo de vapor, gira, gerando energia elétrica.
• Condensador e bomba - o vapor que passou pela turbina é condensado em água e sobe para o balão por meio de uma bomba, onde é novamente aquecido ao estado de vapor.

Quais são as vantagens da energia solar

• O Sol continuará a fornecer-nos a sua energia durante vários milhares de milhões de anos. Ao mesmo tempo, as pessoas não precisam gastar dinheiro e recursos para extraí-lo.
• A geração de energia solar é um processo totalmente ecologicamente correto e sem riscos à natureza.
• Autonomia do processo. A captação da luz solar e a geração de eletricidade ocorrem com intervenção humana mínima. A única coisa que você precisa fazer é manter as superfícies de trabalho ou espelhos limpos.
• Painéis solares esgotados podem ser reciclados e reutilizados na produção.

Problemas de desenvolvimento de energia solar

Apesar da implementação de ideias para manter o funcionamento das usinas solares à noite, ninguém está imune aos caprichos da natureza. O céu nublado durante vários dias reduz significativamente a produção de eletricidade, mas a população e as empresas necessitam de um fornecimento ininterrupto.

A construção de uma usina solar não é um prazer barato. Isso se deve à necessidade de utilizar elementos raros em seu design. Nem todos os países estão dispostos a desperdiçar orçamentos em centrais eléctricas menos potentes quando existem centrais térmicas e centrais nucleares em funcionamento.

Para colocar tais instalações são necessárias grandes áreas e em locais onde a radiação solar seja suficiente.

Como a energia solar é desenvolvida na Rússia?

Infelizmente, o nosso país ainda queima carvão, gás e petróleo a toda velocidade, e a Rússia será certamente uma das últimas a mudar completamente para energias alternativas.

A data a geração solar representa apenas 0,03% do balanço energético da Federação Russa. Para efeito de comparação, na Alemanha esse número é superior a 20%. Os empresários privados não têm interesse em investir em energia solar devido ao longo período de retorno e à rentabilidade não tão elevada, porque o gás é muito mais barato no nosso país.

Nas regiões economicamente desenvolvidas de Moscou e Leningrado, a atividade solar é baixa. Lá, construir usinas de energia solar simplesmente não é prático. Mas as regiões do sul são bastante promissoras.