Según los registros, los humanos han estado utilizando la energía solar durante más de 3.000 años. Con preguntas adicionales, ¿de dónde viene este pasaje? En otras palabras, ¿cuál es el título del libro?
Introducción a la energía solar
Resumen
Como fuente de energía inagotable, la energía solar ha atraído la atención de países de todo el mundo. La energía solar se utiliza ampliamente en diversos aspectos, como la generación de energía, la refrigeración y la calefacción, y se ha relacionado con la vida económica mundial.
Palabras clave
Células de silicio de contaminación solar
1. Introducción
La energía solar generalmente se refiere a la energía radiante de la luz solar, que generalmente es utilizado en los tiempos modernos para generar electricidad. Es la energía generada por la reacción continua de fusión nuclear de las manchas solares en el interior o en la superficie del sol. La energía solar, ampliamente definida, incluye: energía eólica, energía hidráulica, energía de diferencia de temperatura del océano, energía de las olas y energía de biomasa en la Tierra, así como cierta energía de las mareas y combustibles fósiles (como carbón, petróleo y gas natural). La energía solar en sentido estricto se limita a la conversión directa de la energía de la radiación solar en luz, calor, electricidad y fotoquímica.
La energía solar proviene del sol. El sol es una esfera gaseosa caliente con un diámetro de aproximadamente 1,39 × 106 km y una masa de aproximadamente 2,2 × 1027 t, que es 3,32 × 105 veces la masa de la Tierra. Su volumen es 1,3 × 106 veces la densidad promedio de la Tierra. El sol es una fuente de energía enorme, antigua e inagotable. Aunque la energía irradiada por el sol a la atmósfera terrestre es sólo 2.200 millones de veces la energía de radiación total (3,75×10 26 kW), llega a 173.000 kW. Esto significa que la energía irradiada por el sol a la tierra por segundo. Equivale a 5 millones de toneladas de carbón.
En general, la energía solar tiene las ventajas de una enorme energía, un largo tiempo de suministro, amplia distribución, fácil acceso, seguridad y limpieza, y no contamina el medio ambiente. Pero también hay algunos problemas: 1) la energía está dispersa y la densidad energética es baja; 2) la estabilidad es pobre y la energía solar cambia constantemente debido a la influencia de las estaciones diurnas y nocturnas y la latitud geográfica; 3) el costo del equipo es excesivo; alto; 4) La contaminación durante el proceso de fabricación es grave y es posible que durante el uso se produzca contaminación visual.
Los recursos de energía solar de China están ampliamente distribuidos y son abundantes. Según una investigación del Instituto de Ciencias Meteorológicas de China, más de 2/3 de la superficie terrestre de mi país tiene más de 2.000 horas de sol al año, la radiación anual promedio es de más de 0,6 GJ/cm2 y la radiación solar anual es de aproximadamente 930 ~ 2330kW·h/m2.
A juzgar por la distribución de la radiación solar total en mi país, Tíbet, Qinghai, Xinjiang, sur de Mongolia Interior, Shanxi, norte de Shaanxi, Hebei, Shandong, Liaoning, oeste de Jilin, centro y suroeste de Yunnan, sureste de Guangdong. La radiación solar total en el sureste de Fujian, el este y oeste de la isla de Hainan y el suroeste de la provincia de Taiwán es muy grande.
2. Historia del uso de la energía solar
El ser humano lleva más de 3.000 años utilizando la energía solar. El uso de la energía solar como fuente de energía y potencia tiene una historia de poco más de 300 años. La historia del uso moderno de la energía solar se remonta a la invención del primer motor solar del mundo por el ingeniero francés Solomon de Cox en 1615. El invento es una máquina que utiliza energía solar para calentar aire y expandirlo para realizar trabajo y bombear agua. Entre 1615 y 1900 se desarrollaron en el mundo muchos dispositivos de generación de energía solar y algunos otros dispositivos de energía solar. Casi todos estos dispositivos de energía recogen la luz solar concentrándola y la potencia del motor no es grande. El fluido de trabajo es principalmente vapor de agua, que es caro y tiene poco valor práctico. La mayoría de ellos son desarrollados y fabricados por los propios entusiastas de la energía solar.
La historia del desarrollo de la tecnología de la energía solar en el siglo XX se puede dividir en siete etapas:
La primera etapa (1900-1920)
El enfoque de La investigación sobre energía solar sigue siendo una central eléctrica de energía solar, pero con métodos diversificados de concentración de luz, utilizando colectores de placa plana. La fábrica se amplía gradualmente y la potencia de salida máxima alcanza los 73,64 kW. El propósito práctico es claro, pero el costo sigue siendo alto. Los equipos típicos fabricados son:
En 1901, se construyó un dispositivo de bombeo de agua solar en California, EE. UU.
2.1902-1908, Estados Unidos construyó cinco juegos de motores solares de doble ciclo, utilizando colectores de placa plana y fluidos de trabajo de bajo punto de ebullición. 3.1913, se construyó un motor solar de cinco lados al sur de El Cairo, Egipto; Una bomba de agua solar compuesta por espejos cilindroparabólicos, cada lado tiene 62,5m de largo y 4m de ancho, con un área total de iluminación de 1250m2.
Segunda Fase (1920-1945)
En los últimos 20 años, la investigación sobre energía solar ha estado en su punto más bajo y el número de personas que participan en investigaciones y proyectos de investigación ha disminuido. de modo significativo. La razón está relacionada con el amplio desarrollo y utilización de combustibles fósiles y el inicio de la Segunda Guerra Mundial (1935-1945). La energía solar no podía resolver la urgente necesidad de energía en ese momento, por lo que la investigación sobre energía solar fue gradualmente ignorada.
La tercera fase (1945-1965)
En los 20 años posteriores al final de la Segunda Guerra Mundial, algunas personas con visión de futuro notaron que los recursos de petróleo y gas natural estaban disminuyendo rápidamente y pidieron atención.Este problema ha impulsado paulatinamente la recuperación y el desarrollo de la investigación sobre energía solar. Los avances de investigación más destacados son los siguientes:
En 1955, Taber de Israel propuso la teoría básica del recubrimiento selectivo en la Primera Conferencia Internacional sobre Ciencia Solar Térmica y desarrolló recubrimientos selectivos prácticos como el níquel negro. para el desarrollo de captadores de alta eficiencia.
En 65438-0954, Bell Labs desarrolló prácticas células solares de silicio, sentando las bases para la aplicación a gran escala de la generación de energía fotovoltaica.
Hubo otros logros importantes durante esta fase, los más destacados son:
En 1952, el Centro Nacional de Investigación francés construyó un horno solar de 50 kW en los Pirineos orientales.
En 1960, se construyó en Florida, EE. UU., el primer sistema de aire acondicionado con absorción de agua y amoníaco con colector de placa plana del mundo, con una capacidad de refrigeración de 5 toneladas.
En 1961 salió el motor Stirling con ventana de tiempo. En esta etapa se fortaleció la investigación sobre la teoría y los materiales básicos de la energía solar y se lograron importantes avances en tecnologías como el recubrimiento solar selectivo y las células solares de silicio. Los colectores de placa plana han logrado grandes avances y la tecnología ha ido madurando gradualmente. La investigación sobre acondicionadores de aire por absorción solar ha avanzado y se han construido varias salas solares experimentales. Realización de investigaciones preliminares sobre las tecnologías más difíciles de generación de energía termosolar de torre y motor Stirling
La cuarta fase (1965-1973)
En esta etapa, el trabajo de investigación sobre energía solar está estancado. La razón es que la tecnología de utilización de la energía solar está en etapa de crecimiento, es inmadura, requiere grandes inversiones y tiene resultados insatisfactorios. Es difícil competir con las fuentes de energía convencionales, por lo que no ha recibido la atención y el apoyo del público, las empresas y las empresas. y gobiernos.
La quinta etapa (1973-1980)
La "crisis energética" (algunos la llaman "crisis del petróleo") hizo objetivamente que la gente se diera cuenta de que las fuentes de energía existentes debían ser completamente modificada para acelerar la transición a la futura estructura energética. Por lo tanto, muchos países, especialmente los países industrializados, han vuelto a fortalecer su apoyo al desarrollo de la energía solar y otras tecnologías de energía renovable, y una vez más ha surgido en el mundo un aumento en el desarrollo y la utilización de la energía solar.
De 65438 a 0973, Estados Unidos implementó un plan de generación de energía solar a nivel gubernamental, aumentó significativamente la financiación para la investigación de energía solar y estableció un banco de desarrollo de energía solar para promover la comercialización de productos de energía solar.
En 1974, Japón anunció el "Plan Sunshine" formulado por el gobierno, en el que los proyectos de investigación y desarrollo de energía solar incluyen: casas solares, sistemas solares industriales, generación de energía solar térmica, sistemas de producción de células solares, distribución y los sistemas de generación de energía fotovoltaica a gran escala esperan.
Durante este período, el campo de investigación de la energía solar continuó expandiéndose, el trabajo de investigación se hizo cada vez más profundo y se lograron una serie de logros importantes, como CPC, tubos colectores de vacío, energía solar de silicio amorfo. células, fotólisis del agua para la producción de hidrógeno, energía solar, generación de energía térmica, etc.
Se comenzaron a comercializar calentadores de agua solares, generación de energía solar y otros productos, y inicialmente se estableció la industria de la energía solar, pero la escala era pequeña y los beneficios económicos no eran los ideales.
La sexta etapa (1980-1992)
La moda por desarrollar y utilizar la energía solar entró gradualmente en un punto muerto después de entrar en la década de 1980. Muchos países de todo el mundo han recortado la financiación para la investigación solar, siendo Estados Unidos el más destacado.
Las principales razones de este fenómeno son: el precio mundial del petróleo ha caído drásticamente, mientras que el precio de los productos solares sigue siendo alto y carece de competitividad, no ha habido grandes avances en la tecnología solar y los objetivos de mejora; no se ha logrado la eficiencia y la reducción de costos, y el mercado se ha visto sacudido. Esto ha dado a algunas personas confianza en el desarrollo y utilización de la energía solar; el rápido desarrollo de la energía nuclear ha inhibido el desarrollo de la energía solar.
La séptima etapa (1992 al presente)
Debido a la quema masiva de energía fósil, se ha provocado contaminación ambiental global y daños ecológicos, lo que supone una amenaza para la supervivencia y el desarrollo humanos. En este contexto, las Naciones Unidas convocaron la Conferencia Mundial sobre Medio Ambiente y Desarrollo en Brasil en 1992 y adoptaron una serie de documentos importantes como la Declaración de Río sobre Medio Ambiente y Desarrollo, la Agenda 21 y la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático. desarrollo en un marco unificado, estableciendo un modelo de desarrollo sostenible. Luego de este encuentro, países de todo el mundo fortalecieron el desarrollo de tecnologías de energía limpia y combinaron el uso de la energía solar con la protección del medio ambiente, de modo que el uso de la energía solar salió del estancamiento y se fortaleció gradualmente. Después de la Conferencia Mundial sobre Medio Ambiente y Desarrollo, el gobierno chino concedió gran importancia al medio ambiente y al desarrollo y propuso 10 contramedidas. Estaba claro que "el desarrollo y la promoción de energías limpias como la energía solar, la energía eólica, la energía geotérmica y las mareas". La energía solar y la energía de biomasa deben adaptarse a las condiciones locales". "La Agenda 21 de China" aclara aún más los proyectos clave de desarrollo de la energía solar.
3. Modo de utilización de la energía solar
3.1 Conversión de energía fototérmica
La conversión fototérmica es un método de utilización de la energía solar que utiliza la radiación solar para calentar objetos y obtener energía térmica. . Las aplicaciones comunes incluyen calentadores de agua solares, cocinas solares reflectantes, cocinas solares de alta temperatura, películas plásticas, invernaderos, etc.
3.1.1 Colector
La densidad de flujo de energía de la radiación solar es muy baja. Para obtener suficiente energía al utilizar la energía solar o para aumentar la temperatura, se deben utilizar determinadas tecnologías y dispositivos (colectores de calor) para recolectar energía solar. El colector solar es un dispositivo que convierte la energía de la radiación solar en energía térmica y es un dispositivo clave para la utilización de energía solar térmica. Los más comunes se pueden dividir en tipos de condensación y sin condensación.
3.1.1.1 Colector sin condensación
Los colectores sin condensación suelen incluir colectores de placa plana y colectores de tubos de vacío.
Colector de placas
El colector de placas es el colector más simple y más utilizado entre los colectores sin condensación. Su área para absorber la radiación solar es igual al área para recolectar la radiación solar y puede utilizar radiación solar directa y dispersa.
Según el medio de trabajo, actualmente se utilizan ampliamente colectores de aire y colectores de líquido. Según el material del núcleo de la placa absorbente de calor, se divide en placa de acero y tubería de hierro, colectores de calor totalmente de cobre, totalmente de aluminio, compuestos de cobre y aluminio, acero inoxidable, plástico y otros no metálicos. Según la estructura, hay tipos de placa de tubo, tipo de caja plana, tipo de aleta de tubo, tipo de aleta de tubo de calor, colector de tubo serpentino, colector con reflector plano y colector de placa inversa, etc. Dependiendo de la cubierta, existen materiales transparentes monocapa o multicapa de vidrio, fibra de vidrio o polímero, colectores de material aislante térmico transparente, etc.
En la actualidad, los colectores totalmente de cobre y los colectores compuestos de cobre y aluminio se utilizan ampliamente en el país y en el extranjero. Para la combinación de aletas de cobre y tubos de cobre, la soldadura de alta frecuencia se utiliza generalmente en el extranjero, mientras que en el pasado se utilizaba la soldadura dieléctrica en China. En 1995, mi país desarrolló con éxito un colector de corriente de soldadura de alta frecuencia totalmente de cobre. En 1937, se introdujo desde Canadá la línea de producción de compuestos de cobre y aluminio. Después de la digestión y absorción, se han construido en China más de una docena de líneas de producción de compuestos de cobre y aluminio. Para reducir la pérdida de calor del colector, se pueden utilizar vidrio aislante, paneles solares de policarbonato y paneles de abeja transparentes como materiales de cobertura, pero estos materiales son caros y difíciles de promocionar y aplicar en este momento.
Colector de tubos de vacío
Para reducir la pérdida de calor de los colectores de placa plana y aumentar la temperatura de recolección de calor, en la década de 1970 se desarrollaron con éxito tubos colectores de vacío y sus absorbentes de calor fueron Empaquetado en alto dentro del tubo de vacío de vidrio al vacío, el rendimiento térmico mejora enormemente. Se ensamblan varios tubos colectores de vacío para formar un colector de tubos de vacío. Para aumentar la captación de luz solar, algunos tubos colectores de vacío están equipados con reflectores en la parte posterior.
Los tubos colectores de vacío se pueden dividir aproximadamente en tubos colectores de vacío totalmente de vidrio, tubos colectores de vacío con tubo en U de vidrio, tubos colectores de vacío con tubo de calor de vidrio y metal, tubos colectores de vacío rectos y colectores de vacío regenerativos. tubos. Recientemente, China también ha desarrollado tubos colectores de vacío caloductos totalmente de vidrio y nuevos tubos colectores de vacío rectos totalmente de vidrio.
China ha establecido una moderna industria de colectores de vacío totalmente de vidrio con derechos de propiedad intelectual independientes. Hay más de 100 máquinas de recubrimiento por pulverización catódica que se utilizan para producir tubos colectores de calor. La calidad del producto ha alcanzado el nivel avanzado del mundo y la producción ocupa el primer lugar en el mundo. China ha estado desarrollando colectores de tubos de calor al vacío desde mediados de los años 1980. Después de más de diez años de arduo trabajo, hemos superado muchas dificultades técnicas, como el sellado térmico, y hemos establecido una base de producción de tubos de calor y tubos de vacío con plenos derechos de propiedad intelectual. La calidad del producto ha alcanzado el nivel avanzado del mundo y la capacidad de producción ocupa el primer lugar en el mundo.
Colector de placa plana de tubo de vacío
Ensambla un único tubo de vacío en la superficie inferior de un reflector parabólico compuesto. Tiene las características tanto de enfoque plano como de enfoque fijo, y puede absorber. 80% de la luz solar directa y de dispersión.
3.1.1.2 Concentrador
Un concentrador suele estar formado por un condensador, un absorbente y un sistema de seguimiento. Su principio de funcionamiento es que la luz solar natural se enfoca en el absorbente a través del concentrador y calienta el medio de recolección de calor que fluye en el absorbente. El sistema de seguimiento ajusta la posición del concentrador en cualquier momento de acuerdo con la dirección del sol para garantizar la apertura. La superficie del concentrador es siempre vertical. La radiación solar emitida por el hombre.
Entre los colectores concentradores reflectantes, se utilizan ampliamente los colectores concentradores de espejos parabólicos giratorios (enfoque puntual) y los colectores concentradores de espejos parabólicos a través de canales (enfoque lineal). El primero puede alcanzar altas temperaturas pero requiere un seguimiento bidimensional; el segundo puede alcanzar temperaturas moderadas y solo requiere un seguimiento unidimensional. Estos dos tipos de colectores concentradores se han utilizado desde principios de este siglo y en las últimas décadas se han realizado muchas mejoras, como mejorar la precisión del procesamiento de superficies reflectantes, desarrollar materiales altamente reflectantes y desarrollar mecanismos de seguimiento altamente confiables. Ahora estos dos colectores concentradores de espejos parabólicos pueden satisfacer plenamente los requisitos de diversas utilizaciones de energía solar de temperatura media y alta, pero su alto costo limita su amplia aplicación.
3.1.2 Calentador de agua solar
Principio básico: Al recolectar calor, la temperatura del agua en la tubería es mayor que la temperatura del agua en el tanque de agua. El agua caliente es más liviana que. el agua fría, formando convección, lo que finalmente hace que la temperatura del tanque de agua en el interior alcance la temperatura requerida para su uso.
Los calentadores de agua solares suelen consistir en colectores de placa plana, tanques de almacenamiento de agua caliente y tuberías de conexión. Según la clasificación del flujo de fluidos, los calentadores de agua solares se pueden dividir en tres categorías: secos, de corriente continua y de circulación.
3.1.3 Calefacción solar
La calefacción solar se puede dividir en activa y pasiva. Los colectores solares activos y sus correspondientes dispositivos de almacenamiento de calor se utilizan como fuentes de calor para sustituir las calderas en los sistemas de calefacción tradicionales de agua caliente (o aire caliente). Las casas solares pasivas dependen de la propia estructura del edificio para utilizar plenamente la energía solar para lograr fines de calefacción, por lo que también se las llama casas solares pasivas.
Las casas solares pasivas tienen las ventajas de una estructura simple, materiales convenientes, bajo costo, sin mantenimiento y comodidad natural. Son especialmente adecuadas para las vastas áreas rurales de los países en desarrollo.
La sala solar activa utiliza agua caliente generada por el colector para calefacción y tiene una estructura sencilla. El acumulador de calor se coloca al aire libre y la habitación se calienta mediante el suelo, que no ocupa la zona de estar interior, lo que constituye una gran ventaja de este sistema.
3.1.4 Secado solar
El secado solar se puede dividir en:
1. Secador de recogida
2. p>
3. Colector-secador invernadero
De hecho, existen diversas combinaciones de dispositivos de secado solar, como colectores solares y energía convencional, colectores solares y dispositivos de almacenamiento térmico, colectores solares y bombas de calor. .
El secador de recogida utiliza colectores solares de aire para calentar el aire a una temperatura predeterminada y luego lo envía a la cámara de secado. Las cámaras de secado varían según el tipo de artículos que se secan, como caja, horno, lecho fijo o lecho móvil.
El invernadero del invernadero secador es el cuarto de secado, que recibe directamente la energía radiante del sol.
El secador-colector-invernadero es una combinación de las dos formas anteriores. La parte superior del invernadero es una cubierta de vidrio y los artículos a secar se colocan en una bandeja en el invernadero. La bandeja se calienta directamente mediante la radiación solar y el aire caliente del colector de aire.
También hay desalinización solar, refrigeración y aire acondicionado solar, generación de energía solar térmica, tecnología de generación de energía de pozo solar, propulsión solar térmica, etc.
3.2 Conversión fotoeléctrica
El principio es convertir directamente la energía solar en energía eléctrica basándose en el efecto fotoeléctrico. Las aplicaciones incluyen el suministro de baterías para lugares sin electricidad, incluida la energía móvil y de respaldo, los dispositivos electrónicos diarios que funcionan con energía solar, etc.
Hubo informes sobre las células solares de silicio en el mundo en 1941. En 1954, se desarrolló una célula solar de silicio monocristalino con una eficiencia del 6%. En 1958, las células solares se utilizaron en el suministro de energía de los satélites. Antes de la década de 1970, las células solares se utilizaban principalmente en el espacio debido a su baja eficiencia y su alto precio. Desde la década de 1970, los materiales, estructuras y procesos de las células solares se han estudiado exhaustivamente y se han logrado grandes avances en la mejora de la eficiencia y la reducción de costos.
En la actualidad, la mayor eficiencia en el laboratorio de empresas eléctricas solares del mundo es: células de silicio monocristalino 24% (100px2), células de silicio policristalino 18,6% (100px2), células de doble unión InGaP/GaAs 30,28 % (AM1), batería de silicio amorfo 65438+. Las baterías de telururo de cadmio representan el 15,8%, las baterías de cinta de silicio el 14,6% y las nanobaterías orgánicas de dióxido de titanio el 10,96%.
China inició la investigación sobre células solares en 1958 y ha logrado muchos logros en los últimos 40 años. En la actualidad, la mayor eficiencia de laboratorio de las empresas nacionales de electricidad solar es: células de silicio monocristalino 20,4% (50px×50px), células de silicio policristalino 14,5% (50px×50px), 12% (250px×250px), células de GaAs/Ge 20,1%. (batería LC CulnSe 9% (LCM × 25px), batería de película delgada de silicio policristalino 13,6% (LCM × 25px
Dado que las células solares de diferentes materiales absorben diferentes espectros solares, al conectar células de diferentes materiales en serie, El sol se puede utilizar por completo. La energía del espectro mejora en gran medida la eficiencia de las células solares. Por lo tanto, la investigación sobre células en tándem apiladas ha atraído la atención de países de todo el mundo y se ha convertido en la célula solar más prometedora.
Las células solares son livianas y no tienen partes móviles, por lo que son seguras de usar. La potencia de salida por unidad de masa es grande y se puede usar como una pequeña fuente de energía para formar una gran central eléctrica. Se ha extendido desde el campo aeroespacial a todos los ámbitos de la vida y ha entrado en miles de hogares, y algunos de ellos ya han entrado en el mercado. Sin embargo, la llamada estación solar espacial es la más atractiva para la humanidad. >
3.2.1 Estación de energía solar espacial
La estación de energía espacial en realidad utiliza energía solar para generar electricidad. Estos satélites están cubiertos con paneles solares, que pueden absorber y acumular grandes cantidades de energía solar. convertirla en energía eléctrica, que luego se transmite de regreso al suelo a través de haces de microondas.
Consiste en un panel solar que siempre mira hacia el sol. Consta de un conjunto de células solares, una estación de conversión de microondas que. convierte la corriente continua en energía de microondas y se construye una antena de conjunto que emite energía de haz de microondas. La energía eléctrica se transmite al suelo en forma de microondas a través de la antena, en un área de decenas de metros. Un sistema receptor gigante que cubre un kilómetro cuadrado.
La generación de energía espacial tiene dos ventajas: primero, puede aprovechar al máximo la energía solar y no contamina el medio ambiente; segundo, puede suministrar energía directamente a las naves espaciales y; aviones en el aire sin la necesidad de instalar líneas de transmisión. También puede enviar electricidad a zonas montañosas remotas, desiertos e islas aisladas. Los científicos predicen que una vez que se construya la central eléctrica espacial, los humanos podrán obtener energía de forma continua. la utilización de la energía de la Tierra sufrirá cambios revolucionarios.
Problemas: En primer lugar, en cuanto a la cuestión de los costos del transporte espacial, se especula que es posible reducir los costos del transporte espacial en al menos un 99%; eficiencia de la conversión de energía
3.2.2 Sistema de generación de energía solar
El suministro de energía solar es un nuevo tipo de fuente de energía que genera electricidad a partir de células solares y almacena energía en baterías para alimentar cargas. Se utiliza ampliamente en comunicaciones por microondas, estaciones base, estaciones de radio, actividades al aire libre y carreteras. También puede proporcionar energía a zonas montañosas, pueblos e islas sin electricidad. >1. No es necesario tirar de cables ni cavar caminos, es fácil de instalar y usar;
2. Una inversión única puede garantizar el suministro de energía ininterrumpida durante 20 años (la batería generalmente debe reemplazarse cada 5). años);
3. Sin mantenimiento y sin contaminación.
El suministro de energía solar se puede dividir en un sistema de suministro de energía CC y un sistema de suministro de energía CA/CC.
Prevemos que en un futuro próximo la generación de energía solar fotovoltaica ocupará un lugar importante en el consumo energético mundial. Su desarrollo no sólo sustituirá a algunas fuentes de energía convencionales, sino que también se convertirá en el principal cuerpo energético mundial. suministrar.
Se prevé que para 2030, el consumo de energía renovable representará más del 30% del consumo total de energía, y la generación de energía solar fotovoltaica representará más del 10% del suministro total de energía mundial; para 2040, el consumo de energía renovable representará; El 10% del consumo total de energía. Para finales del siglo XXI, el consumo de energía renovable representará más del 80% del consumo total de energía, y la generación de energía solar representará más del 60%. Estas cifras son suficientes para ilustrar las perspectivas de desarrollo de la industria solar fotovoltaica y su importante posición en el campo energético. Según el plan de desarrollo de energía renovable a mediano y largo plazo, China se esforzará por aumentar la capacidad instalada de generación de energía solar a 1,8 GW (millones de kilovatios) para 2020 y 600 GW (millones de kilovatios) para 2050. Se estima que para 2050, la capacidad instalada de energía renovable de mi país representará el 25% de la capacidad instalada total del país, de la cual la capacidad instalada de generación de energía fotovoltaica representará el 5%. Los próximos diez años serán una etapa de desarrollo rápido y sostenido de la industria solar fotovoltaica de China.
3.3 Conversión de energía fotoquímica
Esta tecnología de conversión incluye electrodos semiconductores para generar electricidad y electrolizar agua para producir hidrógeno, y utilizar hidróxido de calcio o hidruro metálico para descomponer térmicamente y almacenar energía. Sólo cuando se resuelva el problema de la producción solar de hidrógeno se podrá utilizar realmente la energía del hidrógeno (incluidas las pilas de combustible), lo que provocará cambios en los tiempos.
La producción de hidrógeno solar está en investigación. Existen varios métodos:
1) Electrólisis solar del agua para producir hidrógeno. La producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua es un método maduro y ampliamente utilizado con alta eficiencia (75%-85%), pero consume mucha energía. Desde una perspectiva de utilización de energía, no vale la pena utilizar electricidad convencional para producir hidrógeno. Por lo tanto, sólo cuando el costo de la generación de energía solar se reduzca considerablemente se podrá lograr la electrólisis del agua a gran escala para producir hidrógeno.
2) Producción de hidrógeno mediante descomposición solar térmica del agua. Cuando el agua o el vapor se calientan por encima de 3000 K, el hidrógeno y el oxígeno del agua pueden descomponerse. Este método tiene una alta eficiencia de producción de hidrógeno, pero requiere un condensador de alta potencia para obtener una temperatura tan alta, por lo que generalmente no se utiliza para la producción de hidrógeno.
3) Producción de hidrógeno en el ciclo termoquímico solar. Para reducir la alta temperatura requerida para la descomposición térmica solar directa del agua para producir hidrógeno, se ha desarrollado un método de producción de hidrógeno por ciclo termoquímico, es decir, añadiendo uno o varios intermedios al agua, luego calentando a una temperatura más baja, pasando por diferentes etapas de reacción y finalmente agua. Descompuestos en hidrógeno y oxígeno, los intermedios no se consumen y pueden reciclarse. La temperatura de descomposición del ciclo termoquímico es de aproximadamente 900-1200 K, lo cual es relativamente fácil de lograr con concentradores de espejos parabólicos giratorios ordinarios, y su eficiencia de descomposición del agua es de 17,5%-75,5%. El principal problema es la reducción de intermedios. Incluso si se reduce entre un 99,9% y un 99,99%, todavía es necesario complementarlo entre un 0,1% y un 0,01%, lo que afectará el precio del hidrógeno y provocará contaminación ambiental.
4) La energía solar divide fotoquímicamente el agua para producir hidrógeno. El proceso de producción de hidrógeno es similar al ciclo termoquímico de producción de hidrógeno descrito anteriormente. Agregue una sustancia fotosensible al agua como catalizador para aumentar la absorción de la energía luminosa de onda larga de la luz solar y producir hidrógeno mediante una reacción fotoquímica. Alguien en Japón aprovechó la sensibilidad del yodo a la luz y diseñó un proceso integral de producción de hidrógeno que incluye reacciones fotoquímicas y termoeléctricas. Puede producir 97 litros de hidrógeno por hora, con una eficiencia de aproximadamente el 10%.
5) Las células fotoelectroquímicas solares descomponen el agua para producir hidrógeno. En 1972, el japonés Kenichi Bento y otros utilizaron un electrodo semiconductor de dióxido de titanio tipo N como ánodo y negro de platino como cátodo para crear una célula fotoelectroquímica solar. Bajo la luz solar, el cátodo produce hidrógeno y el ánodo produce oxígeno. Los dos electrodos están conectados con cables para permitir el paso de la corriente. Es decir, la celda fotoelectroquímica produce simultáneamente hidrógeno, oxígeno y electricidad al descomponer el agua bajo la luz solar. Este resultado experimental ha atraído gran atención de científicos de todo el mundo y se considera un gran avance en la tecnología de energía solar. Sin embargo, la eficiencia de la producción de hidrógeno fotoelectroquímico es muy baja, solo el 0,4%. Solo puede absorber la luz ultravioleta y la luz casi ultravioleta de la luz solar. Además, la electricidad se corroe fácilmente y el rendimiento aún no ha alcanzado los requisitos prácticos. .
6) La complejación con la luz solar cataliza la descomposición del agua para producir hidrógeno. Desde 1972, los científicos han descubierto que el estado excitado de los complejos de tripiridina tiene la capacidad de transferir electrones a partir de la reacción de transferencia de carga catalizada por los complejos, propusieron utilizar este proceso para fotolizar el agua y producir hidrógeno. Este complejo es un catalizador que absorbe energía luminosa, produce separación, transferencia y agregación de cargas, y finalmente descompone el agua en hidrógeno y oxígeno mediante una serie de procesos de acoplamiento. La producción de hidrógeno mediante una compleja descomposición catalítica del agua aún no está madura y el trabajo de investigación continúa.
7) El gas hidrógeno se produce mediante la fotosíntesis biológica. Hace más de 40 años, la gente descubrió que las algas verdes pueden liberar hidrógeno en condiciones anaeróbicas a través de la luz solar. Hace más de diez años, la gente descubrió que muchas algas, como las cianobacterias, se han adaptado a un ambiente anaeróbico durante un período de tiempo y pueden realizar la fotosíntesis. liberar hidrógeno bajo ciertas condiciones. En la actualidad, debido a una comprensión insuficiente de la fotosíntesis y el mecanismo de liberación de hidrógeno de las algas, la eficiencia de liberación de hidrógeno de las algas es muy baja y todavía queda un largo camino por recorrer antes de lograr la producción de hidrógeno mediante ingeniería. Se estima que si la eficiencia de producción de hidrógeno fotosintético de las algas se incrementa a 65.438+00%, las algas pueden producir 9 moléculas de hidrógeno por metro cuadrado por día. Con 50.000 kilómetros cuadrados de energía solar, el proyecto de liberación de hidrógeno fotosintético puede satisfacer todas las necesidades. las necesidades de combustible de los Estados Unidos.
3.4 Conversión de energía solar-energía de biomasa
Conversión de energía solar-energía mecánica. A principios del siglo XX, los físicos rusos demostraron que la luz tiene presión.
En la década de 1920, físicos de la ex Unión Soviética propusieron que enormes velas solares en el espacio podrían impulsar naves espaciales hacia adelante bajo la presión de la luz solar y convertir directamente la energía solar en energía mecánica. Los científicos estiman que la idea de las velas solares podrá hacerse realidad en los próximos 10 a 20 años. Normalmente, la conversión de energía solar en energía mecánica requiere una conversión indirecta mediante un proceso intermedio.
3.5 Contaminación en la utilización solar
Las células solares tienen el título de energía limpia sin emisiones, sin ruido y sin consumo de energía durante su uso, pero la corriente principal de hoy ignora el glamour de la energía solar. células Detrás de la superficie están los problemas de alta contaminación y alto consumo de energía en el proceso de producción.
Primero, la alta contaminación
Principalmente debido a la contaminación causada por gases inflamables, explosivos y tóxicos como el silicio hidrogenado y la contaminación causada por las baterías durante la producción de silicio.
Actualmente, el 90% de las células solares son células de silicio cristalino. La materia prima es el silicio policristalino, que se purifica a partir del silicio metálico (silicio industrial). Actualmente, en China se utiliza el método químico (método Siemens modificado): primero, el silicio metálico se convierte en triclorosilano y luego se purifica mediante fraccionamiento para obtener triclorosilano de alta pureza (tóxico, corrosivo y explosivo), y finalmente se utiliza hidrógeno. En este proceso, sólo alrededor del 25% del triclorosilano se convierte en polisilicio y el resto se elimina básicamente directamente. La contaminación más grave es el subproducto producido durante el proceso de reducción: el tetracloruro de silicio (un tipo de tóxico agudo, altamente). líquido corrosivo, tóxico y difícil de conservar). Dado que el tetracloruro de silicio no se puede degradar de forma natural, si se vierte o entierra, contaminará gravemente las masas de agua y dejará la tierra estéril. Esto no incluye grandes cantidades de cloro y otros gases inflamables, explosivos y tóxicos.
Para producir paneles solares de 1KW se necesitan 10Kg de polisilicio, y más de 80Kg de tetracloruro de silicio. Sólo hay una empresa en China que puede reducir las emisiones de tetracloruro de silicio mediante el proceso de circuito cerrado de hidrogenación y reducción; incluso mediante el proceso de circuito cerrado de hidrogenación y reducción, las emisiones de tetracloruro de silicio aún alcanzan el 50%; El tetracloruro también es una materia prima química. La digestión en las plantas químicas posteriores es muy limitada. La gran mayoría de los fabricantes nacionales de polisilicio venden pequeñas cantidades de tetracloruro de silicio a fabricantes intermedios a precios bajos, almacenan una parte y entierran otra parte en secreto.
No se incluyen otros accesorios para el postprocesamiento de obleas de silicio. Por ejemplo, diversas soluciones ácidas y alcalinas fuertes utilizadas en el proceso de texturizado, oxicloruro de fósforo utilizado en difusión, silano utilizado en PECVD, etc. , el consumo de estos materiales auxiliares no es menor que el de los materiales principales.
Debido a que las células solares son sensibles al tiempo, solo la luz solar generará electricidad; por lo tanto, se deben usar baterías para almacenar electricidad cuando hay luz solar y mantener el suministro de energía cuando no hay luz solar. Las baterías son principalmente baterías de plomo-ácido, que son muy contaminantes.
En segundo lugar, alto consumo de energía
Fundir dióxido de silicio en silicio metálico, purificar silicio metálico en silicio policristalino y procesar obleas de silicio policristalino requiere una gran cantidad de electricidad, que se concentra principalmente en silicio. fundición de dióxido, fundición de lingotes, difusión de polisilicio y otros procesos; la producción de paneles solares de 1 KW requiere 5800-6000 kWh (promedio nacional). Podemos calcularlo así: Calculado en base al tiempo promedio de iluminación de 4 horas/día, la vida útil de la batería solar es de 15 a 20 años (calculado como 20 años), y la generación total de energía de la celda solar de 1KW es 4x365x20 =29200KW? h; en comparación con los 6000 kWh consumidos, su índice de regeneración de energía eléctrica es de sólo 4,87, lo que no incluye la eficiencia de la iluminación, la pérdida de suministro de energía del inversor y la pérdida del circuito de control. Mucho más bajo que la energía hidroeléctrica y la eólica. Si le sumas vidrio ultrablanco, aleación de aluminio, acero, cables y otros accesorios. , su tasa de regeneración de energía es bastante baja.
El mayor problema es que más del 90% de los paneles solares producidos en China se exportan. Otros países disfrutan de energía limpia, pero China sufre por el consumo de energía y la contaminación.
Escríbalo al final
Según la predicción de los departamentos pertinentes sobre la proporción de diversas fuentes de energía primaria en la composición energética mundial en 2050, la composición es: petróleo 0, gas natural 13%, carbón 20%, energía nuclear 10%, energía hidroeléctrica 5%, energía solar (incluidas la energía eólica y la energía de biomasa) 50% y otros 2%. La energía nueva y renovable representada por la energía solar
China es el mayor productor y consumidor de carbón del mundo. El carbón representa alrededor del 76% de la estructura de consumo de energía de los productos básicos y se ha convertido en una importante fuente de contaminación del aire en China. fuente. El desarrollo vigoroso de nuevas tecnologías de utilización de energías y energías renovables se convertirá en una medida importante para reducir la contaminación ambiental. Los problemas energéticos son globales y el período de transición hacia nuevas fuentes de energía llegará tarde o temprano. A largo plazo, la aplicación generalizada de tecnologías y dispositivos de utilización de energía solar limitará inevitablemente el aumento de los precios de la energía mineral.
Referencia
1. Enciclopedia Baidu/view/21294.htm
2 Descripción general y perspectivas de aplicación de la tecnología de secado solar
3. Utilización de la energía solar y desarrollo sostenible Wei Yao
4. Introducción al sistema de bomba de calor solar
5. Progreso en la utilización de la energía solar en China Lu Luo
6. Utilización de recursos de energía solar en China Zonificación Wang Bingzhong.
7. La generación de energía solar no es económicamente viable. Ge Weimin.