Informazioni sull'energia solare : Sfide dell'energia solare

Alcune delle sfide nella produzione di energia solare

• L'efficienza del pannello solare

• Elevato capitale iniziale e costi di manutenzione Sistema di energia fotovoltaica

• Scarsità della terra e diminuzione del valore della proprietà

• Mancanza di lavoratori qualificati

• Problema di intermittenza e qualità dell'alimentazione

• Scarsità di materiale per celle fotovoltaiche

• Svantaggio ambientale

Efficienza dei pannelli solari

La potenza solare media sulla superficie terrestre è di 174,7 watt per metro quadrato e in un'ora il sole fornisce alla Terra circa 3,21 x 10^20 joule di energia.

Ciò equivale a 76.841 megatoni.

In meno di due ore, il sole fornisce più energia dell'intero pianeta utilizzato in un anno.

Ma solo una piccola frazione di questa energia può essere convertita in energia solare a causa della minore efficienza delle celle solari.

Un pannello solare è una combinazione di celle solari collegate in serie o in parallelo per creare un pannello solare completo.

Le celle solari concentriche contengono materiale che assorbe l'energia luminosa e la convertono in energia elettrica.

L'efficienza della cella solare è limitata perché solo un elettrone può essere eccitato da un fotone, indipendentemente dall'energia del fotone o dai pacchetti di energia disponibili alla luce del sole.

Le celle solari fotovoltaiche hanno anche un'efficienza massima limitata, nota come limite Shockley-Queasier.

La massima efficienza di conversione solare di una cella solare con una singola giunzione pn è di circa il 46% (teoricamente) con luce solare concentrica e dati in laboratorio ha raggiunto il 27%.

Per uso commerciale, questa efficienza è solo il 16% della dimensione totale della cella.

Significa che quando la luce solare cade sulle celle solari, converte solo il 16% dell'energia solare per un ulteriore utilizzo e il resto dell'energia viene sprecato.

L'elevata efficienza delle celle fornisce un costo unitario inferiore, perché richiede una superficie inferiore per generare lo stesso watt di picco di elettricità (Wp - la potenza di uscita generata da una cella solare sotto piena radiazione solare), diminuendo così il numero richiesto di celle.

In breve, con miglioramenti dell'efficienza, la tecnologia di generazione di energia solare potrebbe avere un potenziale significativo come risorsa energetica.

Elevato capitale iniziale e costi di manutenzione del sistema di energia fotovoltaica

Sebbene l'installazione di pannelli solari apporti immensi benefici a lungo termine, i costi iniziali possono essere punitivi.

I pannelli solari richiedono anche inverter e batterie di accumulo per convertire l'elettricità diretta in elettricità alternata per generare elettricità.

Mentre l'installazione di un pannello solare è abbastanza economica, l'installazione di altre apparecchiature diventa costosa.

A seconda dell'azienda da cui scegli di acquistare i pannelli solari, potrebbe costare un braccio e una gamba.

È persino difficile quantificare l'intero costo di installazione senza l'aiuto delle aziende produttrici.

Alcune nazioni hanno introdotto sconti e crediti d'imposta per consentire a molte persone di installare pannelli solari, ma a meno che non si mettano da parte dei soldi per questo, può essere un costo insopportabile.

Inoltre, potrebbero volerci da 10 a 15 anni prima che tu possa raggiungere il pareggio con il tuo investimento iniziale.

Non si tratta di quanto sia il periodo di ammortamento.

Vale la pena provare tutto ciò che può ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili.

L'installazione e la manutenzione, in particolare, sono spesso sottovalutate, ma sono importanti quanto le altre sfide che rendono l'elettrificazione a energia solare una prospettiva difficile.

Un'altra sfida riguarda il modo in cui sono strutturate le transazioni per l'acquisto di pannelli solari.

La maggior parte delle installazioni di pannelli solari è una transazione una tantum in cui un cliente paga per i pannelli, le apparecchiature e l'installazione.

L'azienda fornisce questi prodotti, quindi installa i pannelli stessi o assume installatori indipendenti.

In queste offerte, spesso non è chiaro chi pagherà la manutenzione quando i pannelli solari si guastano.

Molte aziende hanno poca capacità finanziaria per portare i tecnici di riparazione in località remote anni dopo per i pannelli di servizio (a parte la reputazione e la soddisfazione del cliente, a cui alcune aziende non sono necessariamente interessate) poiché la maggior parte sta lottando per fare soldi così com'è.

I clienti spesso non sono in grado di pagare molto in più per la manutenzione poiché hanno già pagato un grosso premio iniziale per l'installazione.

Ospedali, scuole e aziende non possono permettersi di continuare a versare denaro in sistemi solari che si guastano inaspettatamente dopo due anni quando avrebbero dovuto funzionare per vent'anni.

Ma se nessuno è in grado o disposto a pagare per la manutenzione, i pannelli rimangono inutilizzati e sprecati.

Scarsità di terreno e diminuzione del valore della proprietà

Un'altra preoccupazione è che l'energia solare può occupare una quantità significativa di terreno e causare il degrado del suolo o la perdita di habitat per la fauna selvatica.

Mentre i sistemi fotovoltaici solari possono essere fissati a strutture già esistenti, i sistemi fotovoltaici su larga scala possono richiedere fino a 3,5-10 acri per megawatt e le strutture CSP richiedono da 4 a 16,5 acri per megawatt.

A seconda della loro posizione, impianti solari su larga scala possono sollevare preoccupazioni per il degrado del suolo e la perdita di habitat.

I requisiti di superficie totale variano a seconda della tecnologia, della topografia del sito e dell'intensità della risorsa solare.

A differenza degli impianti eolici, ci sono meno opportunità per i progetti solari di condividere la terra con usi agricoli.

Tuttavia, l'impatto sul suolo dei sistemi solari su larga scala può essere ridotto al minimo posizionandoli in luoghi di qualità inferiore come campi, terreni minerari abbandonati o corridoi di trasporto e trasmissione esistenti.

Anche gli array fotovoltaici su piccola scala, che possono essere costruiti su case o edifici commerciali, hanno un impatto minimo sull'uso del suolo.

Negli ultimi anni, la pubblicità che circonda i parchi solari ha attirato l'attenzione di proprietari di immobili e periti.

Come per qualsiasi sviluppo su larga scala, il cambiamento rappresentato dal solare su larga scala può essere motivo di preoccupazione.

Gli oppositori esprimono preoccupazioni riguardanti gli impatti sul capannone, problemi di drenaggio, l'idea di sostituire i terreni agricoli produttivi con l'uso industriale e altro ancora.

Gran parte di questa preoccupazione deriva da una cosa: il potenziale impatto sui valori delle proprietà.

Uno studio recentemente completato su 400.000 transazioni nel New England in 15 anni, scoprendo che i valori degli immobili residenziali suburbani hanno subito impatti negativi quando le vicine fattorie solari hanno sostituito le risorse percepite come scarse, come gli spazi verdi.

D'altra parte, questo stesso studio non ha riscontrato alcun impatto associato sui valori degli immobili per i parchi solari situati nelle aree rurali.

Tuttavia, l'impatto può essere ridotto collocando le strutture in aree di bassa qualità o lungo i corridoi di trasporto e trasmissione esistenti.

Mancanza di lavoratori qualificati nel settore dell'energia solare

Uno dei principali ostacoli per l'installazione di pannelli solari è la mancanza di lavoratori qualificati per svolgere il lavoro.

I clienti per le installazioni di pannelli solari potrebbero variare da ospedali che richiedono oltre 20 kilowatt di energia a piccoli villaggi che richiedono meno di 500 watt per alimentare l'intero villaggio.

È necessaria una certa formazione per comprendere la complessità di questi sistemi.

Questo problema viene affrontato in diversi modi.

Alcune aziende stanno assumendo e formando squadre di installazione dedicate per viaggiare in vaste aree per svolgere il lavoro.

Il problema con questa disposizione, tuttavia, è che viaggiare tra i luoghi di lavoro è inefficiente e qualsiasi tempo di inattività diventa molto costoso per le aziende che cercano di mantenere personale dedicato sul libro paga.

D'altra parte, se queste aziende assumono personale di installazione indipendente, è più difficile garantire gli standard di qualità.

Inoltre, le compagnie sono al capriccio delle tariffe stabilite dagli equipaggi indipendenti.

Per non parlare del fatto che in alcune aree non ci sono squadre di installazione indipendenti da assumere.

La disponibilità di manodopera adeguatamente qualificata è una sfida importante e il settore solare può trarre vantaggio dall'assunzione di lavoratori dai mercati del lavoro convenzionali con competenze pertinenti.

Tuttavia, il Programma delle Nazioni Unite per lo sviluppo (UNDP) sta intervenendo per aiutare.

Di recente, in Mali, l'UNDP ha finanziato la formazione di tecnici solari femminili per eseguire l'installazione, la manutenzione e l'assistenza per l'intero villaggio.

Questo non solo risolve uno dei difficili problemi con gli impianti solari, ma la formazione fornisce anche una spinta economica per l'intero villaggio.

Le donne sono ora in grado di guadagnare un salario di sussistenza per aiutare ulteriormente a sostenere le loro famiglie.

Intermittenza - Problema di Power Quality

Uno dei maggiori problemi che pone la tecnologia dell'energia solare è che l'energia viene generata solo mentre il sole splende.

Ciò significa che la notte e le giornate nuvolose possono interrompere la fornitura.

La carenza creata da questa interruzione non sarebbe un problema se esistessero modi a basso costo di immagazzinare energia poiché i periodi estremamente soleggiati possono generare capacità in eccesso.

Poiché la capacità globale di energia solare continua ad aumentare, nazioni come il Giappone e altri leader globali nella tecnologia dell'energia solare si stanno concentrando sullo sviluppo di un adeguato accumulo di energia per affrontare questo problema.

Durante l'integrazione del sistema fotovoltaico con la rete, il parametro più significativo è la qualità dell'energia.

La qualità dell'energia elettrica è il grado in cui la tensione, la frequenza e la forma d'onda di un sistema di alimentazione sono conformi alle specifiche stabilite.

Una buona qualità dell'alimentazione può essere definita come una tensione di alimentazione costante che rimane all'interno dell'intervallo prescritto, una frequenza CA costante vicina al valore nominale e una forma d'onda della curva di tensione uniforme (assomiglia a un'onda sinusoidale).

Una qualità dell'energia carente inizierebbe a danneggiare i dispositivi elettrici e gli elementi di distribuzione dell'alimentazione poiché le variazioni di frequenza causerebbero processi in aree indesiderate.

Sono stati discussi i diversi problemi di qualità dell'alimentazione:

Armoniche

Le distorsioni armoniche sono il principale problema di qualità dell'energia che viene preso in considerazione nelle operazioni di sistemi fotovoltaici connessi alla rete.

Le armoniche sono frequenze più alte indesiderate sovrapposte alla forma d'onda fondamentale creando uno schema d'onda distorto, natura delle correnti armoniche.

Le frequenze armoniche sono multipli essenziali di una frequenza fondamentale.

La ragione principale delle armoniche nei sistemi collegati alla rete è il meccanismo elettronico di potenza esistente nel sistema fotovoltaico.

Conversione da Corrente Continua a Corrente Alternata tramite inverter; infondere armoniche di tensione e corrente nel sistema causando problemi di qualità dell'alimentazione.

Tale fenomeno provoca il surriscaldamento dei trasformatori e dei banchi di condensatori, rendendo il sistema sempre più instabile e inaffidabile.

Variazione di tensione

La causa principale delle variazioni di tensione con i sistemi fotovoltaici integrati nella rete è la natura intermittente dell'irraggiamento solare.

L'irraggiamento solare irregolare è dovuto a nuvole transitorie e ad altre condizioni ambientali.

Tutti questi parametri portano il sistema FV verso l'instabilità attraverso un corso di variazioni di tensione.

Una variazione irregolare della tensione porta a abbassamento e rigonfiamento di tensione e interruzioni brevi e lunghe.

Quando la tensione di alimentazione scende per un breve periodo, si parla di abbassamento di tensione (la tensione cade nell'intervallo di ampiezza del 10% -90% della tensione RMS).

Quando la tensione di alimentazione aumenta per un breve periodo, si parla di aumento di tensione (la tensione aumenta oltre il 110% della tensione RMS).

Interruzioni brevi e lunghe: l'interruzione è definita come la diminuzione del livello di alimentazione a meno del 10% del valore nominale per una durata massima di un minuto è chiamata interruzione di tensione.

Se l'interruzione avviene per meno di un minuto si parla di interruzione breve mentre se la durata è maggiore di un minuto si parla di interruzione.

Tuttavia, il termine "interruzione" è generalmente utilizzato per indicare una breve interruzione, mentre quest'ultima è accompagnata dalla parola "sostenuta" per indicare un'interruzione di lunga durata o lunga.

Potere reattivo

Molto spesso un impianto fotovoltaico è destinato a funzionare vicino al fattore di potenza unitario, in modo da poter sfruttare al massimo l'energia solare.

Con questa istanza, la rete elettrica riceve energia reale da un sistema fotovoltaico che regolerà il flusso di potenza reattiva nel sistema fotovoltaico.

Quindi, la tensione dei bus vicini sarà migliorata a causa della potenza reattiva insufficiente.

Durante l'azione, il normale flusso di potenza del sistema può avere risultati indesiderati a causa della potenza reattiva insufficiente.

Ciò può ridurre la potenza che comporta una trasmissione carente.

Variazione di frequenza

La variazione di frequenza (fluttuazione) è una variazione dal valore nominale standard (tipicamente 50 o 60 Hz) della frequenza del sistema di alimentazione.

La variazione di frequenza oltre il valore di tolleranza (+/-5%) non va bene per il sistema FV e può provocare il collasso del sistema.

In un impianto fotovoltaico la variazione di frequenza dipende dalle condizioni climatiche, meteorologiche e dalla posizione topografica che possono causare gravi disturbi.

Scarsità di materiali per le celle fotovoltaiche

Le celle solari al silicio che attualmente dominano il mercato mondiale soffrono di tre limitazioni fondamentali.

Un nuovo modo promettente di realizzare celle solari ad alta efficienza, utilizzando perovskiti al posto del silicio, potrebbe affrontare tutti e tre contemporaneamente e potenziare la produzione di elettricità dalla luce solare.

La prima grande limitazione delle celle fotovoltaiche (PV) al silicio è che sono realizzate con un materiale che raramente si trova in natura nella forma pura ed elementare necessaria.

Mentre non c'è carenza di silicio sotto forma di biossido di silicio (sabbia da spiaggia), ci vogliono enormi quantità di energia per liberarsi dell'ossigeno ad esso attaccato.

In genere, i produttori fondono il biossido di silicio a 1500-2000 gradi Celsius in un forno ad arco per elettrodi.

L'energia necessaria per far funzionare tali forni stabilisce un limite inferiore fondamentale al costo di produzione delle celle fotovoltaiche al silicio e si aggiunge anche alle emissioni di gas serra derivanti dalla loro fabbricazione.

Alcune tecnologie solari richiedono materiali rari nella loro produzione.

Questo, tuttavia, è principalmente un problema per la tecnologia FV piuttosto che per la tecnologia CSP.

Inoltre, non è tanto una mancanza di riserve conosciute quanto la produzione attuale non può soddisfare la domanda futura: molti dei materiali rari sono sottoprodotti di altri processi piuttosto che al centro di sforzi minerari mirati.

Impatto ambientale

Sebbene l'inquinamento legato ai sistemi di energia solare sia molto inferiore rispetto ad altre fonti di energia, l'energia solare può essere associata all'inquinamento.

Il trasporto e l'installazione di impianti solari sono stati associati all'emissione di gas serra.

L'unico aspetto negativo ambientale della tecnologia solare è che contiene molti degli stessi materiali pericolosi dell'elettronica.

Poiché il solare diventa una fonte di energia più popolare, il problema dello smaltimento dei rifiuti pericolosi diventa un'ulteriore sfida.

Tuttavia, supponendo che la sfida di un corretto smaltimento sia vinta, le ridotte emissioni di gas serra offerte dall'energia solare la rendono un'interessante alternativa ai combustibili fossili nel prossimo futuro.

Tuttavia, alcuni materiali tossici e sostanze chimiche vengono utilizzati per realizzare celle fotovoltaiche (PV) che convertono la luce solare in elettricità.

Alcuni sistemi solari termici utilizzano fluidi potenzialmente pericolosi per trasferire calore.

Le perdite di questi materiali potrebbero essere dannose per l'ambiente.

Le leggi ambientali statunitensi regolano l'uso e lo smaltimento di questi tipi di materiali.

Come con qualsiasi tipo di centrale elettrica, le grandi centrali solari possono influenzare l'ambiente vicino alle loro posizioni.

Il disboscamento del terreno per la costruzione e il posizionamento della centrale elettrica può avere effetti a lungo termine sugli habitat di piante e animali autoctoni.

Alcune centrali solari possono richiedere acqua per la pulizia dei collettori e dei concentratori solari o per il raffreddamento dei generatori di turbine.

L'utilizzo di grandi volumi di acque sotterranee o superficiali per la pulizia dei collettori in alcune località aride può influire sugli ecosistemi che dipendono da queste risorse idriche.

Inoltre, il raggio di luce solare concentrata creato da una torre a energia solare può uccidere uccelli e insetti che volano nel raggio.

Tuttavia, l'energia solare inquina molto meno di altre fonti energetiche alternative.