Acerca de la energía solar : Desafíos de la energía solar

Algunos de los desafíos en la producción de energía solar

• La eficiencia del panel solar

• Sistema de energía fotovoltaica de alto costo inicial de capital y mantenimiento

• Escasez de tierras y disminución del valor de la propiedad

• Falta de trabajadores calificados

• Problema de intermitencia y calidad de la energía

• Escasez de material para células fotovoltaicas

• Desventaja ambiental

Eficiencia de los paneles solares

La energía solar promedio sobre la superficie de la Tierra es de 174,7 vatios por metro cuadrado y en una hora, el sol proporciona alrededor de 3,21 x 10 ^ 20 julios de energía a la Tierra.

Eso es equivalente a 76,841 megatones.

En menos de dos horas, el sol proporciona más energía que la que utiliza todo el planeta en un año.

Pero solo una pequeña fracción de esta energía se puede convertir en energía solar debido a la menor eficiencia de las células solares.

Un panel solar es una combinación de células solares que están conectadas en serie o en paralelo para formar un panel solar completo.

Las células solares concéntricas contienen material que absorbe energía luminosa y lo convierten en energía eléctrica.

La eficiencia de la célula solar es limitada porque solo un electrón puede ser excitado por un fotón, independientemente de la energía del fotón o los paquetes de energía que estén disponibles en la luz solar.

Las células solares fotovoltaicas también tienen una eficiencia máxima limitada, conocida como límite Shockley-Queasier.

La máxima eficiencia de conversión solar de una célula solar con una sola unión pn es aproximadamente del 46% (teóricamente) con luz solar concéntrica y los datos de laboratorio han alcanzado el 27%.

Para uso comercial, esta eficiencia es solo el 16% del tamaño total de la celda.

Significa que cuando la luz solar incide sobre las células solares, solo convierte el 16% de la energía solar para su uso posterior y el resto de la energía se desperdicia.

La alta eficiencia de la celda proporciona un costo unitario más bajo, ya que requiere menos área de superficie para generar el mismo pico de vatios de electricidad (Wp - la potencia de salida generada por una celda solar bajo radiación solar completa), lo que reduce el número requerido de celdas.

En resumen, con mejoras en la eficiencia, la tecnología de generación de energía solar podría tener un potencial significativo como recurso energético.

Alto capital inicial y costo de mantenimiento del sistema de energía fotovoltaica

Aunque la instalación de paneles solares traería inmensos beneficios a largo plazo, los costos iniciales pueden ser punitivos.

Los paneles solares también requieren inversiones y baterías de almacenamiento para convertir la electricidad directa en electricidad alterna para generar electricidad.

Si bien la instalación de un panel solar es bastante barata, la instalación de otros equipos se vuelve costosa.

Dependiendo de la compañía a la que elija comprar paneles solares, podría costar un brazo y una pierna.

Incluso es difícil cuantificar el costo total de instalación sin la ayuda de las empresas de fabricación.

Algunas naciones han introducido reembolsos y créditos fiscales para permitir que muchas personas instalen paneles solares, pero a menos que esté ahorrando algo de dinero para esto, puede ser un costo insoportable.

Además, pueden pasar de 10 a 15 años antes de que pueda alcanzar el punto de equilibrio con su inversión inicial.

No se trata de cuánto es el período de recuperación.

Vale la pena intentar cualquier cosa que pueda reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles.

La instalación y el mantenimiento, en particular, a menudo se subestima, pero es tan importante como los otros desafíos que hacen que la electrificación con energía solar sea una perspectiva complicada.

Otro desafío tiene que ver con cómo se estructuran las transacciones para comprar paneles solares.

La mayoría de las instalaciones de paneles solares son una transacción única en la que un cliente paga por los paneles, el equipo y la instalación.

La empresa entrega estos productos y luego instala los paneles ellos mismos o contrata a instaladores independientes.

En estos acuerdos, a menudo no está claro quién pagará el mantenimiento cuando los paneles solares se rompan.

Muchas empresas tienen poca capacidad financiera para llevar a los técnicos de reparación a lugares remotos años más tarde a los paneles de servicio (aparte de la reputación y la satisfacción del cliente, que a algunas corporaciones no necesariamente les interesa) ya que la mayoría está luchando por ganar dinero tal como está.

Los clientes a menudo tampoco están en condiciones de pagar mucho más por el mantenimiento, ya que ya pagaron una gran prima por adelantado por la instalación.

Los hospitales, las escuelas y las empresas no pueden permitirse seguir invirtiendo dinero en sistemas solares que se averían inesperadamente después de dos años cuando se suponía que debían funcionar durante veinte años.

Pero si nadie puede o no quiere pagar el mantenimiento, los paneles no se utilizan y se desperdician.

Escasez de tierras y disminución del valor de la propiedad

Otra preocupación es que la energía solar puede ocupar una cantidad significativa de tierra y causar degradación de la tierra o pérdida de hábitat para la vida silvestre.

Si bien los sistemas fotovoltaicos solares se pueden fijar a estructuras ya existentes, los sistemas fotovoltaicos a gran escala de servicios públicos pueden requerir de 3,5 a 10 acres por megavatio y las instalaciones de CSP requieren de 4 a 16,5 acres por megavatio.

Dependiendo de su ubicación, las instalaciones solares a gran escala de servicios públicos pueden generar preocupaciones sobre la degradación de la tierra y la pérdida de hábitat.

Los requisitos de superficie total varían según la tecnología, la topografía del sitio y la intensidad del recurso solar.

A diferencia de las instalaciones eólicas, hay menos oportunidades para que los proyectos solares compartan la tierra con usos agrícolas.

Sin embargo, los impactos en la tierra de los sistemas solares a escala de servicios públicos se pueden minimizar colocándolos en lugares de menor calidad, como campos, tierras mineras abandonadas o corredores de transporte y transmisión existentes.

Los paneles fotovoltaicos solares de menor escala, que se pueden construir en casas o edificios comerciales, también tienen un impacto mínimo en el uso del suelo.

En los últimos años, la publicidad que rodea a las granjas solares ha atraído la atención de los propietarios y tasadores.

Al igual que con cualquier desarrollo a gran escala, el cambio que representa la energía solar a gran escala puede ser motivo de preocupación.

Los detractores expresan inquietudes relacionadas con los impactos en el cobertizo, problemas de drenaje, la idea de reemplazar las tierras agrícolas productivas con usos industriales, y más.

Gran parte de esta preocupación se debe a una cosa: el impacto potencial en el valor de la propiedad.

Un estudio recientemente completado en 400,000 transacciones en Nueva Inglaterra durante 15 años, encontró que los valores de las propiedades residenciales suburbanas sufrieron impactos negativos cuando las granjas solares cercanas reemplazaron los recursos percibidos como escasos, como los espacios verdes.

Por otro lado, este mismo estudio no encontró un impacto asociado en el valor de las propiedades de las granjas solares ubicadas en áreas rurales.

Sin embargo, el impacto se puede reducir colocando las instalaciones en áreas de baja calidad oa lo largo de los corredores de transporte y transmisión existentes.

Falta de trabajadores calificados en energía solar

Un obstáculo importante para la instalación de paneles solares es la falta de trabajadores calificados para hacer el trabajo.

Los clientes de instalaciones de paneles solares pueden variar desde hospitales que requieren más de 20 kilovatios de energía hasta pequeñas aldeas que necesitan menos de 500 vatios para suministrar energía a toda la aldea.

Es necesario un poco de formación para comprender las complejidades de estos sistemas.

Este problema se está abordando de diferentes maneras.

Algunas empresas están contratando y capacitando equipos de instalación dedicados para viajar por vastas áreas haciendo el trabajo.

Sin embargo, el problema con este arreglo es que viajar entre los lugares de trabajo es ineficiente y cualquier tiempo de inactividad se vuelve muy costoso para las empresas que intentan mantener equipos dedicados en la nómina.

Por otro lado, si estas empresas contratan equipos de instalación independientes, es más difícil garantizar los estándares de calidad.

Además, las empresas están al capricho de las tarifas que marcan las tripulaciones independientes.

Sin mencionar que en algunas áreas no hay equipos de instalación independientes para contratar.

La disponibilidad de mano de obra debidamente calificada es un desafío importante y el sector solar puede beneficiarse de emplear trabajadores de los mercados laborales convencionales con conjuntos de habilidades relevantes.

Sin embargo, el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) está interviniendo para ayudar.

Recientemente, en Malí, el PNUD pagó por la capacitación de técnicas solares femeninas para realizar la instalación, el mantenimiento y el servicio de toda su aldea.

Esto no solo resuelve uno de los difíciles problemas de las instalaciones solares, sino que la formación también proporciona un impulso económico para todo el pueblo.

Las mujeres ahora pueden ganar un salario digno para ayudar a mantener aún más a sus familias.

Intermitencia: problema de calidad de la energía

Uno de los mayores problemas que plantea la tecnología de energía solar es que la energía solo se genera mientras brilla el sol.

Eso significa que la noche y los días nublados pueden interrumpir el suministro.

La escasez creada por esta interrupción no sería un problema si hubiera formas de almacenamiento de energía de bajo costo, ya que los períodos extremadamente soleados pueden generar un exceso de capacidad.

A medida que la capacidad mundial de energía solar continúa aumentando, naciones como Japón y otros líderes mundiales en tecnología de energía solar se están enfocando en desarrollar un almacenamiento de energía adecuado para hacer frente a este problema.

Al integrar el sistema fotovoltaico con la red, el parámetro más significativo es la calidad de la energía.

La calidad de la energía eléctrica es el grado en que el voltaje, la frecuencia y la forma de onda de un sistema de suministro de energía se ajustan a las especificaciones establecidas.

La buena calidad de la energía se puede definir como un voltaje de suministro constante que se mantiene dentro del rango prescrito, una frecuencia de CA constante cercana al valor nominal y una forma de onda de curva de voltaje suave (se asemeja a una onda sinusoidal).

La calidad deficiente de la energía comenzaría a dañar los dispositivos eléctricos y los elementos de distribución de energía, ya que las variaciones de frecuencia causarían procesos en áreas no deseadas.

Se han discutido los diferentes problemas de calidad de la energía:

Armónicos

Las distorsiones armónicas son el principal problema de calidad de la energía que se considera en las operaciones de sistemas fotovoltaicos conectados a la red.

Los armónicos son frecuencias más altas no deseadas superpuestas a la forma de onda fundamental creando un patrón de onda distorsionado, la naturaleza de las corrientes armónicas.

Las frecuencias armónicas son múltiplos esenciales de una frecuencia fundamental.

La razón principal de los armónicos en los sistemas conectados a la red es el mecanismo electrónico de potencia existente en el sistema fotovoltaico.

Conversión de corriente continua a corriente alterna mediante inversores; infundir armónicos de voltaje y corriente en el sistema, lo que resulta en problemas de calidad de la energía.

Tal fenómeno causa sobrecalentamiento en transformadores y bancos de capacitores, haciendo que el sistema sea cada vez más inestable y poco confiable.

Variación de voltaje

La causa principal de las variaciones de voltaje con los sistemas fotovoltaicos integrados en la red es la naturaleza intermitente de la irradiancia solar.

La irradiancia solar desigual se debe a nubes transitorias y otras condiciones ambientales.

Todos estos parámetros conducen al sistema fotovoltaico hacia la inestabilidad a través de un curso de variaciones de voltaje.

La variación de voltaje desigual conduce a la caída y al aumento del voltaje y a una interrupción corta y larga.

Cuando el voltaje de suministro cae por un período corto de tiempo, se denomina caída de voltaje (el voltaje cae en el rango de magnitud del 10% -90% del voltaje RMS).

Cuando el voltaje de suministro aumenta durante un período breve, se denomina aumento de voltaje (el voltaje aumenta más allá del 110% del voltaje RMS).

Interrupciones cortas y largas: la interrupción se define como la disminución en el nivel de suministro de voltaje a menos del 10% del nominal por hasta un minuto de duración y se denomina interrupción de voltaje.

Si la interrupción ocurre por menos de un minuto, se define como una interrupción corta, mientras que si la duración del tiempo es superior a un minuto, se dice que pertenece a la interrupción.

Sin embargo, el término "interrupción" se utiliza generalmente para referirse a una interrupción breve, mientras que la última está encabezada por la palabra "sostenida" para indicar una interrupción prolongada o de larga duración.

Poder reactivo

Muy a menudo, un sistema fotovoltaico está diseñado para funcionar cerca del factor de potencia unitario, de modo que pueda utilizar la máxima energía solar.

Con esta instancia, la red eléctrica obtiene energía real de un sistema fotovoltaico que ajustará el flujo de salida de energía reactiva en el sistema fotovoltaico.

Por lo tanto, el voltaje de los buses cercanos mejorará debido a la deficiente potencia reactiva.

A lo largo de la acción, la salida de energía habitual del sistema puede tener resultados indeseables debido a una potencia reactiva deficiente.

Esto puede reducir la potencia que conlleva una transmisión deficiente.

Variación de frecuencia

La variación de frecuencia (fluctuación) es una variación del valor nominal estándar (típicamente 50 o 60 Hz) de la frecuencia del sistema eléctrico.

La variación de frecuencia sobre el valor de tolerancia (+/- 5%) no es buena para el sistema fotovoltaico y puede hacer que el sistema colapse.

En un sistema fotovoltaico, la variación de frecuencia depende de las condiciones climáticas, el clima y la posición topográfica que pueden causar problemas graves.

Escasez de materiales para células fotovoltaicas

Las células solares de silicio que actualmente dominan el mercado mundial adolecen de tres limitaciones fundamentales.

Una nueva y prometedora forma de fabricar células solares de alta eficiencia, utilizando perovskitas en lugar de silicio, podría abordar las tres a la vez y potenciar la producción de electricidad a partir de la luz solar.

La primera gran limitación de las células fotovoltaicas (PV) de silicio es que están hechas de un material que rara vez se encuentra en la naturaleza en la forma pura y elemental necesaria.

Si bien no hay escasez de silicio en forma de dióxido de silicio (arena de playa), se necesitan enormes cantidades de energía para deshacerse del oxígeno adherido a él.

Normalmente, los fabricantes derriten dióxido de silicio a 1500-2000 grados Celsius en un horno de arco de electrodos.

La energía necesaria para hacer funcionar tales hornos establece un límite inferior fundamental en el costo de producción de las células fotovoltaicas de silicio y también se suma a las emisiones de gases de efecto invernadero de su fabricación.

Ciertas tecnologías solares requieren materiales raros en su producción.

Sin embargo, esto es principalmente un problema para la tecnología fotovoltaica más que para la tecnología CSP.

Además, no se debe tanto a la falta de reservas conocidas como a que la producción actual no pueda satisfacer la demanda futura: muchos de los materiales raros son subproductos de otros procesos en lugar de ser el foco de esfuerzos mineros específicos.

Impacto medioambiental

Aunque la contaminación relacionada con los sistemas de energía solar es mucho menor en comparación con otras fuentes de energía, la energía solar puede asociarse con la contaminación.

El transporte y la instalación de sistemas solares se han asociado con la emisión de gases de efecto invernadero.

La única desventaja ambiental de la tecnología solar es que contiene muchos de los mismos materiales peligrosos que la electrónica.

A medida que la energía solar se convierte en una fuente de energía más popular, el problema de la eliminación de desechos peligrosos se convierte en un desafío adicional.

Sin embargo, suponiendo que se supere el desafío de la eliminación adecuada, la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero que ofrece la energía solar la convierte en una alternativa atractiva a los combustibles fósiles en el futuro próximo.

Sin embargo, se utilizan algunos materiales y productos químicos tóxicos para fabricar células fotovoltaicas (PV) que convierten la luz solar en electricidad.

Algunos sistemas solares térmicos utilizan fluidos potencialmente peligrosos para transferir calor.

Las fugas de estos materiales pueden ser perjudiciales para el medio ambiente.

Las leyes ambientales de EE.

UU.

Regulan el uso y la eliminación de este tipo de materiales.

Al igual que con cualquier tipo de planta de energía, las grandes plantas de energía solar pueden afectar el medio ambiente cerca de sus ubicaciones.

La limpieza del terreno para la construcción y la instalación de la planta de energía puede tener efectos a largo plazo en los hábitats de plantas y animales nativos.

Algunas plantas de energía solar pueden requerir agua para limpiar colectores y concentradores solares o para enfriar generadores de turbina.

El uso de grandes volúmenes de agua subterránea o superficial para la limpieza de colectores en algunos lugares áridos puede afectar los ecosistemas que dependen de estos recursos hídricos.

Además, el rayo de luz solar concentrada que crea una torre de energía solar puede matar pájaros e insectos que vuelan hacia el rayo.

Sin embargo, la energía solar contamina mucho menos que otras fuentes de energía alternativas.