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Transformacion de la energia solar

La transformacion de la energia solar es un proceso que se ejecuta con dispositivos fabricados especificamente para tal fin, pueden ser dispositivos que generan electricidad (paneles solares) o calor (colectores solares).

Tal vez hayas escuchado hablar sobre energia solar, paneles solares, electricidad solar, ect. La energía solar se ha convertido en una fuente de energía alternativa popular como fuente de energía renovable . Es la energía que proviene del sol como recurso natural.

Transformacion de la energia solar: descripción general

La energía que está disponible naturalmente de la fuente solar es bastante enorme. El sol entrega 1,2 x 10 5 TW de energía radiativa a la Tierra, la cantidad que supera a cualquier otro recurso energético por capacidad y disponibilidad. Eso se convertiría en 3,78 x 10 12 TJ de energía por año. A modo de comparación, según Crabtree y Lewis (2007), todas las reservas recuperables de petróleo de la Tierra (~ 3 billones de barriles) representan 1,7 x 10 10  TJ de energía. Por lo tanto, ¡el sol suministra esta cantidad de energía a la Tierra en solo ~ 1.6 días!

Algunas estadísticas más:

Según reseñas de la Universidad de Oxford(el enlace es externo), la utilización de energía mundial actual se acerca a 1,6 x 10 5 TWh por año (es decir, 5,76 x 10 8 TJ / año). Si comparamos nuevamente esta cantidad con el flujo de energía solar global, ¡el Sol puede cubrir esta demanda en solo 1 hora y 20 minutos! Es una especie de alucinante …

Sin embargo, para ser utilizada, la radiación solar debe convertirse en otras formas de energía, como electricidad o calor utilizable. La pregunta es: ¿podemos hacerlo efectivamente a la escala de nuestras demandas?

Aparentemente, el recurso solar contiene suficiente energía para cubrir esas demandas. Sin embargo, las limitaciones críticas en la conversión de energía solar serán la eficiencia de las tecnologías existentes y su capacidad general para producir energía de manera sostenible.

Antes de considerar varios tipos de transformacion de la energia solar, repasemos brevemente qué es realmente la radiación solar. Aquí hay algunas cosas principales que sabemos de la física:

  • La energía solar es radiación electromagnética.
  • Principales componentes de la radiación solar que llega a la Tierra:
    • Infrarrojos (52 – 55% λ> 700 nm)
    • Visible (42-43% 400 <λ <700 nm)
    • Ultravioleta (3-5% 100 <λ <400 nm) – vea la Figura 1.1
  • La radiación solar cerca de la superficie terrestre está esencialmente en el rango λ 290 – 2500 nm.
  • La cantidad (unidad de energía) de la radiación electromagnética – fotón ( E = hv ) – es a menudo un término más conveniente en el mecanismo de transformacion de la energia solar.

transformacion de la energia

                                                                                  Figura . Espectro electromagnético.
Crédito: Victor Blacus a través del espectro electromagnético de Wikimedia Commons(el enlace es externo)

Este diagrama enumera todos los tipos existentes de radiación electromagnética en la escala de longitud y frecuencia de onda de radiación. La radiación solar que llega a la superficie de la tierra consiste predominantemente en radiación infrarroja (52-55%), visible (42-43%) y ultravioleta (3-5%), cubriendo el rango de longitud de onda de ~ 290 nm a 2.5 μm [Duffie , Beckman, 2013]

Esta mezcla de varios tipos de radiación electromagnética permite que la luz solar se convierta a través de una variedad de mecanismos físicos, que son:

  • conversión directa a electricidad (por efecto fotovoltaico);
  • conversión a calor utilizable (por ejemplo, a través de colectores térmicos);
  • conversión a materia / combustible (por ejemplo, producción de biomasa a través de la fotosíntesis).

Ahora, veamos con más detalle el estado del arte de estas tecnologías y aprendamos cuáles son los principales objetivos y desafíos.

Lea el siguiente artículo para obtener una descripción general de los principales tipos de transformacion de la energia solar e intente encontrar las respuestas a las preguntas de autocomprobación a continuación.

Como percibimos en esta lectura, numerosas tecnologías y áreas de investigación e innovación en la conversión de energía solar tienen como objetivo general aumentar la eficiencia del dispositivo, lo que lo hace más económicamente viable para su implementación. Esto es especialmente cierto a la luz de los elevados costes de capital de los sistemas de energía solar. Este desafío está relacionado tanto con los materiales iniciales como con la fabricación.

Hablaremos más sobre la eficiencia de la transformacion de la energia solar.

 Eficiencia de transformacion de la energia solar

La eficiencia es una métrica muy importante en la conversión de energía. Se usa más comúnmente para evaluar y comparar varios métodos y dispositivos en términos de desempeño técnico, que a su vez está relacionado con el costo de la tecnología.

Eficiencia es el término que a menudo escuchamos y usamos en la vida diaria y aparece con frecuencia en varios análisis de sistemas, estimaciones de costos y estudios de toma de decisiones. Por lo tanto, deberíamos dedicar algún tiempo a actualizar nuestra comprensión básica de la eficiencia como una métrica universal de los sistemas de conversión.

Vemos que la eficiencia de conversión η es una métrica importante del rendimiento del sistema. Cuando se aplica a los sistemas de conversión de energía solar, la eficiencia de la conversión de energía solar (η) se define como la relación entre la potencia de salida útil (entregada por el dispositivo de conversión) y la potencia incidente (de la radiación solar):

¿Qué podemos aprender del análisis de eficiencia?

  • ¿Qué fracción de energía disponible se pierde en la conversión?
  • Cómo se compara un dispositivo con otro
  • ¿Cuál es el límite de rendimiento?

Las células fotovoltaicas se comparan por la eficiencia nominal medida en condiciones estándar [guía ASTM G173]:

  • Temperatura del aire 25 ° C
  • Irradiancia de 1000 W / m 2 (cielo despejado)
  • Masa de aire (AM) de 1,5G
  • Panel orientado perpendicular al haz de luz

Cuando las condiciones exteriores se mantienen constantes, la eficiencia medida es únicamente una característica del dispositivo. Si medimos la irradiancia solar y recopilamos datos de rendimiento del dispositivo, podemos saber con qué eficiencia funciona el sistema.

Ejemplo

Generalmente, para estimar la eficiencia de la conversión de energía solar, necesitaría:

  1. datos de irradiancia solar, y
  2. datos de rendimiento

 

Considere el siguiente ejemplo, que muestra la estimación de la eficiencia estándar de un módulo fotovoltaico.

conversion de la energia solar

Figura 1.2. La conexión de la eficiencia con el rendimiento. Un módulo solar con un área de celda total de 2 m 2  produce un voltaje de 45 V y una corriente de 5 A en la potencia máxima.
Crédito: Mark Fedkin

 

Entrada solar estándar (irradiancia) en la superficie del módulo: S = 1000 W / m 2

Identificación de entrada y salida de energía: P in  = S = 1000 W / m 2

Identificación de la potencia de salida de la celda fotovoltaica: P out  = E × I / Area = 112.5 W / m 2   (Nota: según la física, la potencia es igual voltaje multiplicado por la corriente)

Entonces, por eficiencia, podemos escribir: η = P out / P in = 112.5 / 1000 × 100% = 11.25%

Conclusión: solo el 11,25% de la energía que fluye hacia el panel se convierte en electricidad.

La razón por la que los sistemas para la transformacion de la energia solar tienen menos del 100% de eficiencia es que hay pérdidas. El origen de esas pérdidas puede ser un tema complejo, que podría entenderse mejor en función de la física y el diseño de un dispositivo de conversión en particular: celda fotovoltaica, concentrador o colector térmico. Volveremos a esas consideraciones cuando hablemos en detalle sobre tecnologías de conversión específicas en las lecciones respectivas de este curso.

Existe una distinción importante entre la potencia total (medida en W) y la densidad o flujo de potencia (medida en W / m 2 ). Cuando hablamos del rendimiento de un dispositivo de conversión de energía solar en particular (por ejemplo, una celda solar), la densidad de potencia caracteriza la “calidad” de la conversión de energía: cuánta energía se genera por cada metro cuadrado del área de la celda.

Eso puede depender de varias propiedades del material celular, el diseño y los principios físicos detrás del proceso de conversión. Por el contrario, la potencia total refleja la producción total, la “cantidad” de energía utilizable generada por todo el dispositivo por unidad de tiempo. En aplicaciones de energía solar (digamos, si queremos alimentar un edificio), siempre miramos el vataje total del sistema y las formas de maximizar esa “cantidad” total.

Por ejemplo, imagina un módulo solar. En un momento particular de funcionamiento, la potencia de salida del dispositivo se puede expresar como

out  (total) = P in (total) (η / 100%) = SA (η / 100%)

  • η = eficiencia (%)
  • S = densidad de potencia de la luz solar (irradiancia) en la superficie de la celda (W / m 2 )
  • A = área total de la celda (m 2 )

Lógicamente, para aumentar la salida total de ese módulo, necesitamos aumentar la eficiencia o aumentar la potencia de entrada total.

La vía para aumentar la eficiencia de las células nos lleva a la física del proceso de conversión, las propiedades de los materiales y el diseño de las células. La principal cuestión de investigación y desarrollo aquí es cómo hacer una célula que funcione mejor.

La vía de aumentar la potencia total de entrada nos lleva a tres cuestiones: (i) concentración de luz, (ii) seguimiento solar y (iii) ampliación del sistema. La concentración de la luz incidente ambiental aumentaría de hecho la cantidad de energía suministrada al módulo por unidad de tiempo mediante el aumento del parámetro S en la ecuación anterior.

El seguimiento, es decir, la orientación del panel solar perpendicular al haz de luz solar, es otra forma de maximizar la cantidad de radiación absorbible y también contribuye a aumentar el parámetro S. Finalmente, aumentar el tamaño del módulo agregando más celdas al sistema, aumentando el área de celda o multiplicando módulos (escalamiento) aumentaría el área activa total de conversión (A).

La ampliación de la tecnología es la forma de adaptar la energía solar a las aplicaciones comerciales y los consumidores. La energía solar a gran escala, que es el enfoque principal de este curso, se analiza en la siguiente sección.

 Energía de la red de servicios públicos

Hay dos tecnologías solares principales para la Transformacion de la energia solar  que se están considerando para la generación de energía a gran escala: (1) energía fotovoltaica (PV) y (2) energía solar de concentración (CSP). Otro tipo: la energía fotovoltaica de concentración (CPV) actualmente no es un actor importante, pero hay algunas instalaciones grandes que utilizan tecnología CPV. La fotovoltaica y la CSP son principalmente diferentes en el tipo de conversión de energía y el tipo de recurso solar del que dependen. En esta lección, repasaremos los conceptos básicos de esas tecnologías y su estado actual en el mercado energético antes de considerar más detalles técnicos más adelante.

Fotovoltaica (FV)

Al comprender las limitaciones en la eficiencia de la conversión de energía solar y teniendo en cuenta las demandas de la generación de energía centralizada, la ampliación de la tecnología es uno de los temas importantes que están desarrollando las agencias gubernamentales para construir un futuro energético sostenible.

Obviamente, hay un fuerte impulso para los sistemas a gran escala por parte del gobierno y la industria. Pero, junto con la promesa, el proceso de ampliación trae nuevos desafíos al diseño del sistema de conversión de energía. Algunos de esos desafíos son:

  • eficiencia inferior a la deseada (los límites teóricos sugieren que puede ser mucho mayor);
  • alto costo inicial de materiales y equipo;
  • almacenamiento de energía (electricidad o calor);
  • distribución y transmisión de energía.

Todos estos temas merecen más atención y se tratarán con más detalle en lecciones adicionales de este curso. En esta lección, todavía no profundizamos en los detalles técnicos de las tecnologías consideradas, sino que nos sumergimos en el contexto.

Los siguientes materiales le darán una idea del estado actual del mercado solar de escala de utilidad en los EE. UU.

Energía solar centrífuga (CSP)

La otra tecnología destacada desarrollada a escala de servicios públicos en los EE. UU. Y en todo el mundo es la energía solar de concentración (CSP). Si bien la energía fotovoltaica supera actualmente a la CSP en el mercado nacional e internacional, esta tecnología puede resultar ventajosa en las áreas con alta insolación anual.