Sobre Energia Solar : Desafios da energia solar

Alguns dos desafios na produção de energia solar

• A eficiência do painel solar

• Alto capital inicial e custo de manutenção do sistema de energia fotovoltaica

• Escassez de terras e diminuição do valor da propriedade

• Falta de trabalhadores qualificados

• Problema de intermitência e qualidade de energia

• Escassez de material para células PV

• Lado negativo ambiental

Eficiência de painéis solares

A energia solar média na superfície da Terra é de 174,7 watts por metro quadrado e, em uma hora, o sol fornece cerca de 3,21 x 10 ^ 20 joules de energia para a Terra.

Isso é equivalente a 76.841 megatons.

Em menos de duas horas, o sol fornece mais energia do que todo o planeta usado em um ano.

Mas apenas uma pequena fração dessa energia pode ser convertida em energia solar devido à menor eficiência das células solares.

Um painel solar é uma combinação de células solares conectadas em série ou paralelamente para formar um painel solar completo.

As células solares concêntricas contêm material que absorve a energia da luz e a converte em energia elétrica.

A eficiência da célula solar é limitada porque apenas um elétron pode ser excitado por um fóton, independentemente da energia do fóton ou dos pacotes de energia disponíveis na luz solar.

As células solares fotovoltaicas também têm eficiência máxima limitada, conhecida como limite Shockley-Queasier.

A eficiência máxima de conversão solar de uma célula solar com uma única junção pn é de aproximadamente 46% (teoricamente) com luz solar concêntrica e os dados de laboratório atingiram 27%.

Para uso comercial, essa eficiência é de apenas 16% do tamanho total da célula.

Isso significa que quando a luz solar incide sobre as células solares, ela converte apenas 16% da energia solar para uso posterior e o resto da energia é desperdiçada.

A alta eficiência da célula proporciona um custo unitário menor, pois requer menos área de superfície para gerar o mesmo pico de watt de eletricidade (Wp - a potência de saída gerada por uma célula solar sob radiação solar plena), diminuindo assim o número necessário de células.

Em suma, com melhorias de eficiência, a tecnologia de geração de energia solar pode ter um potencial significativo como recurso energético.

Capital inicial alto e custo de manutenção do sistema de energia fotovoltaica

Embora a instalação de painéis solares traga imensos benefícios a longo prazo, os custos iniciais podem ser punitivos.

Os painéis solares também requerem inversores e baterias de armazenamento para converter eletricidade direta em eletricidade alternada para gerar eletricidade.

Embora a instalação de um painel solar seja bastante barata, a instalação de outros equipamentos torna-se cara.

Dependendo da empresa que você escolher para comprar painéis solares, pode custar um braço e uma perna.

É até difícil quantificar o custo total de instalação sem a ajuda de empresas de manufatura.

Algumas nações introduziram descontos e créditos fiscais para permitir que muitas pessoas instalem painéis solares, mas a menos que você esteja reservando algum dinheiro para isso, pode ser um custo insuportável.

Além disso, pode levar de 10 a 15 anos para que você consiga equilibrar o investimento inicial.

Não se trata de quanto é o período de retorno.

Qualquer coisa que possa reduzir nossa dependência de combustíveis fósseis vale a pena tentar.

A instalação e a manutenção, em particular, muitas vezes não são enfatizadas, mas são tão importantes quanto os outros desafios que tornam a eletrificação movida a energia solar uma perspectiva complicada.

Outro desafio tem a ver com a forma como são estruturadas as transações de compra de painéis solares.

A maioria das instalações de painéis solares é uma transação única em que o cliente paga pelos painéis, equipamentos e instalação.

A empresa entrega esses produtos e, em seguida, instala os próprios painéis ou contrata instaladores independentes.

Nessas negociações, muitas vezes não está claro quem vai pagar pela manutenção quando os painéis solares quebram.

Muitas empresas têm pouca capacidade financeira para trazer técnicos de reparos para locais remotos anos depois para os painéis de serviço (além da reputação e satisfação do cliente, que algumas empresas não estão necessariamente interessadas), pois a maioria está lutando para ganhar dinheiro como está.

Freqüentemente, os clientes não estão em posição de pagar muito mais pela manutenção, pois já pagaram um grande valor inicial pela instalação.

Hospitais, escolas e empresas não podem se dar ao luxo de continuar despejando dinheiro em sistemas solares que quebram inesperadamente depois de dois anos, quando deveriam funcionar por vinte anos.

Mas se ninguém puder ou quiser pagar pela manutenção, os painéis não são usados e são desperdiçados.

Escassez de terras e diminuição do valor da propriedade

Outra preocupação é que a energia solar pode ocupar uma quantidade significativa de terra e causar degradação do solo ou perda de habitat para a vida selvagem.

Enquanto os sistemas fotovoltaicos solares podem ser fixados em estruturas já existentes, os sistemas fotovoltaicos maiores podem exigir até 3,5 a 10 acres por megawatt e as instalações CSP requerem de 4 a 16,5 acres por megawatt.

Dependendo de sua localização, instalações solares de grande porte podem levantar preocupações sobre a degradação do solo e a perda de habitat.

Os requisitos de área total do terreno variam de acordo com a tecnologia, a topografia do local e a intensidade do recurso solar.

Ao contrário das instalações eólicas, há menos oportunidade para os projetos de energia solar compartilharem a terra com usos agrícolas.

No entanto, os impactos do solo de sistemas solares em escala de utilidade podem ser minimizados colocando-os em locais de qualidade inferior, como campos, terras de mineração abandonadas ou corredores de transporte e transmissão existentes.

Arrays solares fotovoltaicos de menor escala, que podem ser construídos em residências ou edifícios comerciais, também têm impacto mínimo no uso do solo.

Nos últimos anos, a publicidade em torno dos parques solares ganhou a atenção de proprietários e avaliadores.

Como acontece com qualquer desenvolvimento em grande escala, a mudança representada pela energia solar em escala de utilidade pode ser motivo de preocupação.

Os pessimistas expressam preocupações envolvendo impactos no galpão, problemas de drenagem, a ideia de substituir terras agrícolas produtivas por uso industrial e muito mais.

Grande parte dessa preocupação se resume a um ponto: o impacto potencial sobre os valores das propriedades.

Um estudo recentemente concluído em 400.000 transações na Nova Inglaterra ao longo de 15 anos, descobrindo que os valores de propriedades residenciais suburbanas sofreram impactos negativos quando fazendas solares próximas substituíram recursos percebidos como escassos, como espaços verdes.

Por outro lado, este mesmo estudo não encontrou nenhum impacto associado nos valores das propriedades de parques solares localizados em áreas rurais.

No entanto, o impacto pode ser reduzido colocando as instalações em áreas de baixa qualidade ou ao longo dos corredores de transporte e transmissão existentes.

Falta de trabalhadores qualificados em energia solar

Um grande obstáculo para a instalação de painéis solares é a falta de trabalhadores qualificados para fazer o trabalho.

Os clientes para instalações de painéis solares podem variar de hospitais que requerem mais de 20 quilowatts de energia até pequenas vilas que precisam de menos de 500 watts para abastecer toda a aldeia.

Algum treinamento é necessário para entender as complexidades desses sistemas.

Esse problema está sendo abordado de algumas maneiras diferentes.

Algumas empresas estão contratando e treinando equipes de instalação dedicadas para viajar por vastas áreas fazendo o trabalho.

O problema com esse acordo, porém, é que viajar entre locais de trabalho é ineficiente e qualquer tempo de inatividade se torna muito caro para as empresas que tentam manter equipes dedicadas na folha de pagamento.

Por outro lado, se essas empresas contratam equipes de instalação independentes, é mais difícil garantir os padrões de qualidade.

Além disso, as empresas estão à mercê das taxas que as equipes independentes estabelecem.

Sem mencionar que em algumas áreas não há equipes de instalação independentes para contratar.

A disponibilidade de mão de obra devidamente qualificada é um desafio importante e o setor solar pode se beneficiar da contratação de trabalhadores de mercados de trabalho convencionais com conjuntos de habilidades relevantes.

No entanto, o Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento (PNUD) está intervindo para ajudar.

Recentemente, no Mali, o PNUD pagou o treinamento de técnicas solares femininas para realizar a instalação, manutenção e serviço em toda a sua aldeia.

Isso não apenas resolve um dos difíceis problemas com as instalações solares, mas o treinamento também fornece um impulso econômico para toda a aldeia.

As mulheres agora podem ganhar um salário mínimo para ajudar a sustentar ainda mais suas famílias.

Intermitência - problema de qualidade de energia

Um dos maiores problemas que a tecnologia de energia solar apresenta é que a energia só é gerada enquanto o sol está brilhando.

Isso significa que a noite e os dias nublados podem interromper o fornecimento.

A escassez criada por esta interrupção não seria um problema se houvesse formas de baixo custo de armazenamento de energia, pois períodos extremamente ensolarados podem gerar excesso de capacidade.

À medida que a capacidade global de energia solar continua a aumentar, nações como o Japão e outros líderes globais em tecnologia de energia solar estão se concentrando no desenvolvimento de armazenamento de energia adequado para lidar com esse problema.

Ao integrar o sistema fotovoltaico com a rede, o parâmetro mais significativo é a qualidade da energia.

A qualidade da energia elétrica é o grau em que a voltagem, a frequência e a forma de onda de um sistema de fonte de alimentação estão em conformidade com as especificações estabelecidas.

A boa qualidade de energia pode ser definida como uma tensão de alimentação constante que permanece dentro da faixa prescrita, frequência CA estável próxima ao valor nominal e forma de onda de curva de tensão suave (semelhante a uma onda senoidal).

A qualidade deficiente da energia começaria a prejudicar os dispositivos elétricos e os elementos de distribuição de energia, pois as variações de frequência causariam processos em áreas indesejadas.

Os diferentes problemas de qualidade de energia foram discutidos:

Harmônicos

Distorções harmônicas são o principal problema de qualidade de energia que é considerado nas operações de sistemas fotovoltaicos conectados à rede.

Harmônicos são frequências mais altas indesejadas sobrepostas na forma de onda fundamental, criando um padrão de onda distorcido, natureza das correntes harmônicas.

As frequências harmônicas são múltiplos essenciais de uma frequência fundamental.

A principal razão para harmônicos em sistemas vinculados à rede é o mecanismo eletrônico de potência existente no sistema fotovoltaico.

Conversão de corrente contínua para corrente alternada por meio de inversores; infundir tensão e corrente harmônica no sistema, resultando em problemas de qualidade de energia.

Tal fenômeno causa superaquecimento em transformadores e bancos de capacitores, tornando o sistema cada vez mais instável e pouco confiável.

Variação de Tensão

A principal causa das variações de tensão com sistemas fotovoltaicos integrados à rede é a natureza intermitente da irradiância solar.

A irradiância solar desigual é devida a nuvens transitórias e outras condições ambientais.

Todos esses parâmetros levam o sistema fotovoltaico à instabilidade por meio de um curso de variações de tensão.

A variação desigual de tensão leva à queda e aumento de tensão e interrupções curtas e longas.

Quando a tensão de alimentação cai por um curto período de tempo, é chamada de queda de tensão (a tensão cai na faixa de magnitude de 10% -90% da tensão RMS).

Quando a tensão de alimentação aumenta por um curto período de tempo, isso é chamado de aumento de tensão (a tensão aumenta além de 110% da tensão RMS).

Interrupções curtas e longas: a interrupção é definida como a diminuição do nível de alimentação de tensão para menos de 10% da nominal por até um minuto de duração é chamada de interrupção de tensão.

Se a interrupção ocorrer por menos de um minuto, é definida como uma interrupção curta, enquanto se o tempo de duração for superior a um minuto, diz-se que pertence à interrupção.

No entanto, o termo "interrupção" é geralmente usado para se referir à interrupção curta, enquanto a última é encabeçada pela palavra "sustentada" para indicar uma interrupção longa ou longa.

Potência Reativa

Freqüentemente, um sistema fotovoltaico se destina a trabalhar próximo ao fator de potência unitário, de modo que possa utilizar o máximo de energia solar.

Com esta instância, a rede elétrica obtém energia real de um sistema fotovoltaico que irá ajustar o fluxo de saída de energia reativa no sistema fotovoltaico.

Conseqüentemente, a tensão dos barramentos próximos será melhorada por causa da potência reativa deficiente.

Ao longo da ação, a saída de energia normal do sistema pode ter resultados indesejáveis devido à energia reativa deficiente.

Isso pode reduzir a potência que acarreta transmissão deficiente.

Variação de frequência

A variação de frequência (flutuação) é uma variação do valor nominal padrão (normalmente 50 ou 60 Hz) da frequência do sistema de potência.

A variação de frequência acima do valor de tolerância (+/- 5%) não é adequada para o sistema fotovoltaico e pode direcionar o sistema ao colapso.

Em um sistema fotovoltaico, a variação de frequência depende das condições climáticas, clima e posição topográfica que podem causar problemas graves.

Escassez de materiais para células PV

As células solares de silício que atualmente dominam o mercado mundial sofrem de três limitações fundamentais.

Uma nova maneira promissora de fazer células solares de alta eficiência, usando perovskitas em vez de silício, poderia lidar com as três ao mesmo tempo e sobrecarregar a produção de eletricidade a partir da luz solar.

A primeira grande limitação das células fotovoltaicas de silício (PV) é que elas são feitas de um material raramente encontrado na natureza na forma pura e elementar necessária.

Embora não haja escassez de silício na forma de dióxido de silício (areia da praia), é necessária uma enorme quantidade de energia para se livrar do oxigênio ligado a ela.

Normalmente, os fabricantes derretem o dióxido de silício a 1500-2000 graus Celsius em um forno a arco com eletrodo.

A energia necessária para operar esses fornos estabelece um limite inferior fundamental para o custo de produção de células fotovoltaicas de silício e também aumenta as emissões de gases de efeito estufa de sua fabricação.

Certas tecnologias solares requerem materiais raros em sua produção.

Isso, no entanto, é principalmente um problema para a tecnologia PV, e não para a tecnologia CSP.

Além disso, não é tanto uma falta de reservas conhecidas, mas sim a produção atual não pode atender à demanda futura: muitos dos materiais raros são subprodutos de outros processos, e não o foco de esforços de mineração direcionados.

Impacto ambiental

Embora a poluição relacionada aos sistemas de energia solar seja muito menor em comparação com outras fontes de energia, a energia solar pode estar associada à poluição.

O transporte e a instalação de sistemas solares têm estado associados à emissão de gases com efeito de estufa.

A única desvantagem ambiental da tecnologia solar é que ela contém muitos dos mesmos materiais perigosos que os eletrônicos.

À medida que a energia solar se torna uma fonte de energia mais popular, o problema de descarte de resíduos perigosos se torna um desafio adicional.

No entanto, assumindo que o desafio do descarte adequado seja atendido, as emissões reduzidas de gases de efeito estufa que a energia solar oferece a tornam uma alternativa atraente aos combustíveis fósseis no futuro próximo.

No entanto, alguns materiais tóxicos e produtos químicos são usados para fazer células fotovoltaicas (PV) que convertem a luz solar em eletricidade.

Alguns sistemas solares térmicos usam fluidos potencialmente perigosos para transferir calor.

Vazamentos desses materiais podem ser prejudiciais ao meio ambiente.

As leis ambientais dos Estados Unidos regulamentam o uso e o descarte desses tipos de materiais.

Como acontece com qualquer tipo de usina de energia, grandes usinas de energia solar podem afetar o meio ambiente perto de suas localizações.

O desmatamento para construção e a colocação da usina de energia podem ter efeitos de longo prazo nos habitats de plantas e animais nativos.

Algumas usinas de energia solar podem exigir água para limpar coletores e concentradores solares ou para resfriar geradores de turbinas.

O uso de grandes volumes de água subterrânea ou superficial para a limpeza de coletores em alguns locais áridos pode afetar os ecossistemas que dependem desses recursos hídricos.

Além disso, o feixe de luz solar concentrada que uma torre de energia solar cria pode matar pássaros e insetos que voam em direção ao feixe.

No entanto, a energia solar polui muito menos do que outras fontes alternativas de energia.