Según los registros, los humanos hemos utilizado la energía solar durante más de 3.000 años. Para agregar a la pregunta, ¿cuál es la fuente de este pasaje? En otras palabras, ¿cuál es el título del libro?
Esto está escrito a partir de un artículo llamado "Introducción a la Energía Solar". El texto original es el siguiente.
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 la generación de energía, refrigeración, calefacción, etc., y se ha relacionado con la vida económica mundial
Palabras clave
Células de silicio con contaminación solar
1 Introducción
La energía solar generalmente se refiere a la energía radiante de la luz solar, que generalmente se utiliza para la generación de energía en los tiempos modernos. Es la energía generada por el proceso continuo de reacción de fusión nuclear de las manchas solares dentro o fuera. la superficie del sol. La energía solar generalizada 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 algo de energía de las mareas y combustibles fósiles (como carbón, petróleo, gas natural, etc.). La energía solar en sentido estricto se limita a la conversión directa de energía fototérmica, fotoeléctrica y fotoquímica a partir de la radiación solar.
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 el de la Tierra. La densidad media es 1/4 de la Tierra. El sol es una fuente de energía enorme, duradera e inagotable. Aunque la energía irradiada por el sol hacia la atmósfera terrestre es sólo una 2,2 mil millones de su energía de radiación total (3,75×10^26KW), llega a 173.000TW, es decir, la energía irradiada por el sol hacia la atmósfera terrestre. cada segundo en la Tierra 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, una amplia distribución, una adquisición conveniente, seguridad, limpieza y ausencia de contaminación ambiental. Pero también hay 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 del día y la noche, las estaciones, la latitud geográfica, etc.; ) El costo del dispositivo es demasiado alto; 4) La contaminación durante el proceso de fabricación es grave y el uso puede causar contaminación visual.
Los recursos de energía solar de mi país están ampliamente distribuidos y tienen recursos de energía solar muy ricos. Según una investigación de la Academia China de Ciencias Meteorológicas, más de 2/3 de la superficie terrestre tienen más de 2.000 horas de sol al año y la radiación anual media supera los 0,6 GJ/cm2. La radiación solar anual en varios lugares es aproximadamente. entre 930 y 2330kW·h/m2.
A juzgar por la distribución de la radiación solar total anual en todo el país, Tíbet, Qinghai, Xinjiang, sur de Mongolia Interior, Shanxi, norte de Shaanxi, Hebei, Shandong, Liaoning, oeste de Jilin, centro y suroeste de Yunnan, y sureste de Guangdong La cantidad total de radiación solar en vastas áreas como el centro de China, 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 aprovechamiento de la energía solar
El ser humano ha utilizado la energía solar desde hace más de 3.000 años. 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 1615, cuando el ingeniero francés Solomon de Cox inventó el primer motor de energía solar del mundo. Este invento es una máquina que utiliza energía solar para calentar aire para expandirlo y bombear agua. Entre 1615 y 1900 se desarrollaron en el mundo muchos dispositivos de energía solar y algunos otros dispositivos solares. Casi todos estos dispositivos de energía utilizan métodos de concentración para recolectar la luz solar. La potencia del motor no es grande y el fluido de trabajo es principalmente vapor de agua. Son costosos y tienen poco valor práctico.
La historia del desarrollo de la tecnología de la energía solar en el siglo XX se puede dividir a grandes rasgos en siete etapas:
La primera etapa (1900-1920)
El enfoque La investigación sobre energía solar sigue siendo un dispositivo de energía solar, pero los métodos de concentración de luz utilizados se diversifican y el dispositivo se amplía gradualmente con colectores de placa plana, con una potencia de salida máxima de 73,64 kW. El propósito práctico es relativamente claro, pero. el costo sigue siendo alto.
Los dispositivos típicos construidos son:
1. En 1901, se construyó un dispositivo de bombeo de agua solar en California, EE. UU.;
2. De 1902 a 1908, se construyeron cinco conjuntos de bombeo de doble ciclo. Los equipos se construyeron en los Estados Unidos. El motor solar utiliza un colector de placa plana y un fluido de trabajo de bajo punto de ebullición;
3. En 1913, se fabricó una bomba de agua solar que constaba de 5 espejos cilindroparabólicos, cada uno de 62,5 m de largo. construido al sur de El Cairo, Egipto, de 4m de ancho, con un área total de iluminación de 1250m2.
La segunda etapa (1920-1945)
En estos 20 años, la investigación sobre la energía solar estaba en su punto más bajo, y el número de personas que participaban en trabajos y proyectos de investigación disminuyó considerablemente. La razón está relacionada con el mineral. El desarrollo y utilización a gran escala de combustibles estuvo relacionado con la Segunda Guerra Mundial (1935-1945). La energía solar no pudo resolver la necesidad urgente de energía en ese momento, por lo que la investigación sobre energía solar fue disminuyendo gradualmente. en el abandono.
La tercera etapa (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 Llamó a la población a prestar atención a estos problemas, promoviendo así gradualmente la reanudación y el desarrollo de los trabajos de investigación sobre energía solar. Los avances de investigación más destacados incluyen:
En 1955, Israel Taber y otros propusieron la teoría básica del recubrimiento selectivo en la primera conferencia internacional de ciencia solar térmica y desarrollaron condiciones prácticas de níquel negro y otros recubrimientos selectivos. para el desarrollo de colectores de calor de alta eficiencia;
En 1954, los Laboratorios Bell de Estados Unidos desarrollaron una práctica célula solar de silicio, sentando las bases para la aplicación a gran escala de la generación de energía fotovoltaica.
Hubo otros logros importantes durante esta etapa, los más destacados son:
En 1952, el Centro Nacional de Investigación francés construyó una central eléctrica de 50kW en los Pirineos orientales.
En 1960, se construyó en Florida, EE. UU., el primer sistema de aire acondicionado por absorción de amoníaco y agua que utilizaba colectores de placa plana para calefacción, con una capacidad de refrigeración de 5 toneladas.
En 1961 se introdujo un motor Stirling con ventana de cuarzo. Durante esta etapa se fortaleció la investigación sobre la teoría básica de la energía solar y los materiales básicos, y se lograron importantes avances en tecnologías como los recubrimientos solares selectivos y las células solares de silicio. Los colectores de placa plana han hecho grandes progresos y gradualmente están madurando técnicamente. La investigación sobre acondicionadores de aire por absorción solar ha avanzado y se han construido varias salas solares experimentales. Se llevaron a cabo investigaciones preliminares sobre las tecnologías más difíciles de generación de energía solar térmica con motor Stirling y torre.
La cuarta etapa (1965-1973)
En esta etapa, el trabajo de investigación sobre energía solar se ha estancado. La razón principal es que la tecnología de utilización de energía solar se encuentra en la etapa de crecimiento y no. aún madura y la inversión es grande, el efecto no es ideal y es difícil competir con la energía convencional, por lo que no recibe la atención y el apoyo del público, las empresas y los gobiernos.
La quinta etapa (1973-1980)
La "crisis energética" (algunos la llaman "crisis del petróleo") hizo que la gente se diera cuenta objetivamente de que la estructura energética existente debía cambiarse por completo. debería acelerar la transición a la futura estructura energética. Como resultado, muchos países, especialmente los industrialmente desarrollados, han vuelto a fortalecer su apoyo al desarrollo de la energía solar y otras tecnologías de energía renovable, y ha surgido nuevamente en el mundo un auge en el desarrollo y utilización de la energía solar.
En 1973, Estados Unidos formuló un plan de generación de energía solar a nivel gubernamental. La financiación para la investigación de energía solar aumentó significativamente y se estableció un banco de desarrollo de energía solar para promover la comercialización de productos de energía solar.
Japón anunció el "Plan Sunshine" formulado por el gobierno en 1974. Entre ellos, 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 sistema de generación de energía fotovoltaica a gran escala, etc.
Durante este período, el campo de la 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 el CPC, los tubos colectores de vacío y las células solares de silicio amorfo. , la fotólisis del agua para la producción de hidrógeno y la generación de energía termosolar.
Se comenzaron a comercializar calentadores de agua solares, electricidad 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)
El auge en el desarrollo y utilización de la energía solar entró gradualmente en su punto más bajo después de la década de 1980. Muchos países del mundo han recortado drásticamente la financiación para la investigación de la energía solar, siendo Estados Unidos el más destacado.
Las principales razones de este fenómeno son: el precio mundial del petróleo ha caído significativamente, mientras que el precio de los productos de energía solar sigue siendo alto y carece de competitividad, no hay grandes avances en la tecnología de la energía solar, y los objetivos de no se ha logrado mejorar la eficiencia y reducir los costos, lo que ha sacudido la confianza de algunas personas en el desarrollo y utilización de la energía solar; el rápido desarrollo de la energía nuclear ha jugado un cierto papel inhibidor en el desarrollo de la energía solar. séptima etapa (1992-presente)
Debido a la quema de grandes cantidades de energía fósil ha causado contaminación ambiental global y daños ecológicos, lo que representa una amenaza para la supervivencia y el desarrollo humanos. En este contexto, las Naciones Unidas celebraron la Conferencia Mundial sobre Medio Ambiente y Desarrollo en Brasil en 1992, en la que se 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 y el Medio Ambiente. y el desarrollo se integran en un marco unificado y se establece un modelo de desarrollo sostenible. Después de esta reunión, los 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, lo que sacó a la utilización de la energía solar de su punto más bajo 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 y medidas, afirmando claramente que "desarrollaría y promovería energías limpias como la energía solar, la energía eólica, la energía geotérmica, energía mareomotriz y energía de biomasa según las condiciones locales". "La Agenda 21 de China" aclara aún más los proyectos clave de desarrollo de energía solar.
3. Métodos de aprovechamiento de la energía solar
3.1 Conversión de energía lumínica-térmica
La conversión fototérmica es un método de aprovechamiento de la energía solar que utiliza la radiación solar para calentar objetos y obtenerlos. energía térmica. Las aplicaciones comunes incluyen calentadores de agua solares, cocinas solares reflectantes, hornos solares de alta temperatura, películas de mantillo, invernaderos, invernaderos, etc.
3.1.1 Colector de calor
La densidad del flujo de energía de la radiación solar es baja Para obtener suficiente energía o aumentar la temperatura cuando se utiliza energía solar, se necesitan ciertas tecnologías y dispositivos. ser utilizado (colector de calor) para recolectar energía solar. El colector solar es un dispositivo que convierte la energía de la radiación solar en energía térmica. Es un dispositivo clave en la utilización de la energía solar térmica. Los tipos comunes se pueden dividir en tipo concentrador y tipo no concentrador.
3.1.1.1 Colector no concentrado
Los colectores no concentrados comunes incluyen colectores de placa plana y de tubo de vacío.
Colector de placas
El colector de placas es el tipo de colector no concentrador más simple y más utilizado. El área que absorbe la radiación solar es igual al área que recoge la radiación solar y puede utilizar la radiación directa y difusa del sol. Según el medio de trabajo, existen colectores de aire y colectores de líquido. Actualmente, los colectores de líquido se utilizan ampliamente. Según el material del núcleo de la placa absorbente de calor, hay placas de acero y tuberías de hierro, todas de cobre, todas de aluminio y compuestos de cobre y aluminio. , acero inoxidable y plástico y otros colectores no metálicos según la estructura, se dividen en colectores de tipo placa de tubo, tipo de caja plana, tipo de aleta de tubo, tipo de aleta de tubo de calor, así como colectores con tipo de tubo serpentino. espejos planos y colectores de placa plana inversa, etc. según la placa de cubierta, existen materiales transparentes de vidrio, fibra de vidrio o polímeros de una o varias capas, colectores de calor de material aislante transparente, etc.
En la actualidad, los colectores totalmente de cobre y los colectores compuestos de cobre y aluminio se utilizan más comúnmente en el país y en el extranjero. Para la combinación de aletas de cobre y tubos de cobre, la soldadura de alta frecuencia se usa generalmente en el extranjero. En China, en el pasado se utilizó la soldadura dieléctrica. En 1995, mi país también desarrolló con éxito un colector de soldadura de alta frecuencia totalmente de cobre. En 1937, se introdujeron líneas de producción de compuestos de cobre y aluminio desde Canadá. Mediante digestión y absorción, se construyeron más de una docena de líneas de producción de compuestos de cobre y aluminio en China. Para reducir la pérdida de calor del colector, se pueden utilizar como materiales de cubierta vidrio aislante, paneles solares de policarbonato, panales transparentes, etc. Sin embargo, 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, en la década de 1970 se desarrollaron con éxito internacionalmente tubos colectores de vacío y sus absorbentes de calor fueron encerrado en un tubo de vacío de vidrio de alto vacío mejora enormemente el rendimiento térmico.
Se ensamblan varios tubos colectores de vacío para formar un colector de tubos de vacío. Para aumentar la cantidad de luz solar recolectada, algunos tienen una placa reflectante instalada en la parte posterior del tubo colector de vacío.
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 vacío de almacenamiento de calor. tubos colectores. Recientemente, mi país también ha desarrollado tubos colectores de vacío de tubo de calor totalmente de vidrio y nuevos tubos colectores de vacío rectos totalmente de vidrio.
Nuestro país ha establecido una industria moderna de tubos colectores de vacío totalmente de vidrio con derechos de propiedad intelectual independientes. Se utilizan más de 100 máquinas de recubrimiento por pulverización catódica con magnetrón para producir tubos colectores. La calidad del producto alcanza el nivel avanzado del mundo. la producción ocupó el primer lugar en el mundo. Nuestro país ha comenzado a desarrollar tubos colectores de vacío para tubos de calor desde mediados de la década de 1980. Después de más de diez años de esfuerzos, ha superado muchas dificultades técnicas, como el sellado por prensado en caliente, y ha establecido una base de producción de tubos de vacío para tubos de calor con toda la propiedad intelectual. derechos.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
Es un único tubo de vacío ensamblado en la superficie inferior de un reflector parabólico compuesto. Tiene las características de placa plana y concentrador fijo. luz solar de radiación directa y 80% de dispersión.
3.1.1.2 Colector concentrador
El colector concentrador suele estar formado por tres partes: concentrador, absorbente y 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 asegurar la apertura del mismo. El concentrador. La radiación solar emitida por la superficie y la persona son siempre perpendiculares entre sí.
Los colectores concentradores reflectantes más utilizados son los colectores concentradores de espejos parabólicos giratorios (enfoque puntual) y los colectores concentradores de espejos parabólicos canal (enfoque lineal). El primero puede alcanzar altas temperaturas pero requiere un seguimiento bidimensional; el segundo puede alcanzar temperaturas medias y solo requiere un seguimiento unidimensional. Estos dos tipos de colectores de calor por concentración se han utilizado desde principios de este siglo. A lo largo de las décadas se han realizado muchas mejoras, como mejorar la precisión del procesamiento de superficies reflectantes, desarrollar materiales altamente reflectantes y desarrollar mecanismos de seguimiento de alta confiabilidad. Estos dos tipos de espejos parabólicos de concentración de colectores solares 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 y finalmente la temperatura en el tanque de agua alcanza la temperatura deseada.
Los calentadores de agua solares suelen consistir en colectores de placa plana, tanques de almacenamiento de agua caliente y tuberías de conexión. Según la forma en que fluye el fluido, los calentadores de agua solares se pueden dividir en tres categorías principales: tipo de secado al sol, tipo de flujo directo y tipo de circulación.
3.1.3 Calefacción solar
La calefacción solar se puede dividir en dos categorías: activa y pasiva. El tipo activo utiliza colectores solares y los correspondientes dispositivos de almacenamiento de calor como fuentes de calor para reemplazar las calderas en los sistemas de calefacción convencionales de agua caliente (o aire caliente). El tipo pasivo depende de que la propia estructura del edificio utilice plenamente la energía solar para lograr fines de calefacción, por lo que también se le llama casa solar pasiva.
Las casas solares pasivas tienen una estructura simple, fácil acceso a los materiales, bajo costo, sin necesidad de 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. Tiene una estructura sencilla. El acumulador de calor se sitúa al aire libre y el interior se calienta por el suelo. sala de estar Esta es una ventaja de este sistema.
3.1.4 Secado Solar
El secado solar se puede dividir en los siguientes tipos según la forma en que el secador (o cámara de secado) obtiene energía:
1 Secador tipo colector
2. Secador de invernadero
3. Colector de calor - secador de invernadero
De hecho, también existen colectores y fuentes de energía convencionales, varias combinadas. Dispositivos de secado solar como colectores y dispositivos de almacenamiento de calor, colectores y bombas de calor.
El secador tipo colector utiliza un colector de aire solar para calentar el aire a una temperatura predeterminada antes de enviarlo a la cámara de secado. La cámara de secado depende del tipo de artículos secos, como tipo caja o tipo horno. , tipo cama fija o tipo cama móvil, etc.
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. No solo recibe calor por radiación solar directamente, sino que también depende del aire caliente del colector de aire para calentarse.
Aquellos que pertenecen a la conversión fototérmica incluyen: desalinización solar de agua de mar, 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 de luz en electricidad
El principio es utilizar la energía solar para convertirla directamente en energía eléctrica basándose en el efecto fotoeléctrico. Las aplicaciones incluyen el suministro de baterías para lugares sin electricidad, incluidas fuentes de alimentación móviles y fuentes de alimentación de respaldo, productos electrónicos solares diarios, etc.
En el mundo, los informes sobre las células solares de silicio aparecieron en 1941. En 1954, se desarrolló una célula solar de silicio monocristalino con una eficiencia del 6%. En 1958, las células solares se utilizaron para el suministro de energía a los satélites. Antes de la década de 1970, las células solares se utilizaban principalmente en el espacio debido a su baja eficiencia y su elevado precio. Después de la década de 1970, se llevaron a cabo extensas investigaciones sobre materiales, estructuras y procesos de células solares, y se lograron grandes avances en la mejora de la eficiencia y la reducción de costos.
En la actualidad, los niveles de eficiencia más altos de las células solares en el mundo son: 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 14,5% (inicial), 12,8 (estable), batería de telururo de cadmio 15,8%, batería de cinta de silicio 14,6%, nanobatería orgánica de dióxido de titanio 10,96%.
mi país comenzó la investigación sobre células solares en 1958 y ha logrado muchos resultados en los últimos 40 años. En la actualidad, el nivel más alto de eficiencia de laboratorio de células solares en mi país es: células de silicio monocristalino 20,4% (50px×50px), células de silicio policristalino 14,5% (50px×50px), 12% (250px×250px), células de GaAs 20,1 % (lcm×cm), batería GaAs/Ge 19,5% (AM0), batería CulnSe 9% (lcm×25px), batería de película delgada de silicio policristalino 13,6% (lcm×25px, sustrato de silicio inactivo), batería de silicio amorfo 8,6% ( 250px×250px), 7,9% (500px×500px), 6,2% (750px×750px), batería nanoorgánica de dióxido de titanio 10% (25px×25px).
Dado que las células solares hechas de diferentes materiales absorben diferentes espectros solares, al conectar células de diferentes materiales en serie, se puede aprovechar al máximo la energía del espectro solar y mejorar en gran medida la eficiencia de las células solares. por ello, la investigación sobre células en serie laminadas ha atraído la atención de países de todo el mundo y se ha convertido en la célula solar más prometedora.
Las células solares son ligeras, no tienen partes móviles y son seguras de usar. La potencia de salida por unidad de masa es grande, por lo que puede usarse como una pequeña fuente de energía o combinarse en una gran central eléctrica. En la actualidad, su aplicación se ha extendido desde el campo aeroespacial a todos los ámbitos de la vida y a miles de hogares. Han aparecido uno tras otro automóviles solares, yates solares, bicicletas solares y aviones solares, y algunos de ellos han entrado en el mercado. . Sin embargo, lo que más atrae a la humanidad es la llamada estación solar espacial.
3.2.1 Estación de energía solar espacial
Las estaciones de energía espacial son en realidad satélites que utilizan energía solar para generar electricidad. Las superficies de estos satélites están cubiertas con paneles solares, que pueden absorber y alimentar. acumulan grandes cantidades de energía solar y la convierten en energía eléctrica que se transmite de regreso al suelo a través de haces de microondas.
Se compone de un conjunto de células solares que siempre mira hacia el sol, una estación de conversión de microondas que puede convertir la energía de CC en energía de microondas y una antena de conjunto que emite energía de haz de microondas. Transmisión terrestre. En tierra, es necesario construir un sistema receptor gigante que cubra una superficie de decenas de kilómetros cuadrados.
La generación de energía espacial tiene dos ventajas principales: primero, puede aprovechar al máximo la energía solar sin contaminar el medio ambiente; segundo, no es necesario instalar líneas de transmisión y puede proporcionar energía directamente a las naves espaciales; y aviones en el cielo, así como a áreas remotas Transmitiendo energía a montañas, desiertos e islas aisladas. Los científicos predicen que una vez que se construya una central eléctrica espacial, los humanos podrán obtener energía continuamente y el uso de la energía en la Tierra experimentará cambios revolucionarios.
Problemas: El primero es la cuestión de los costos del transporte espacial. Según la especulación, los costos del transporte espacial deben reducirse en al menos un 99%; el segundo es la cuestión de la eficiencia de conversión de energía.
3.2.2 Sistema de energía solar
La energía solar es un nuevo tipo de suministro de energía que se genera mediante células solares y se almacena en baterías para suministrar energía a las cargas. Se utiliza ampliamente en. Comunicaciones por microondas y estaciones base, estaciones de radio, actividades al aire libre, carreteras y también pueden proporcionar energía a zonas montañosas, pueblos e islas sin electricidad. Tiene los siguientes beneficios:
1. No es necesario tender cables ni cavar caminos, es fácil de instalar y usar.
2 Una inversión única que puede garantizar un suministro de energía ininterrumpida. durante veinte años (la batería generalmente debe reemplazarse cada 5 años);
3. Sin mantenimiento y sin contaminación.
La energía solar se puede dividir en dos tipos: sistema de alimentación CC y sistema de alimentación CA/CC.
Prevemos que la generación de energía solar fotovoltaica ocupará un lugar importante en el consumo energético mundial en un futuro próximo. Su desarrollo no sólo sustituirá algunas fuentes de energía convencionales, sino que también se convertirá en el principal suministro energético mundial. . Se espera que para 2030, el consumo de energía renovable represente más del 30% del consumo total de energía, y la generación de energía solar fotovoltaica represente más del 10% del suministro total de electricidad mundial para 2040; la energía renovable representará más del 10% del consumo total de energía. Para más del 50% del consumo de energía, la generación de energía solar fotovoltaica representará más del 20% del consumo total de electricidad a finales del siglo XXI; representará más del 80% del consumo total de energía, y la generación de energía solar representará más del 60%. Las cifras anteriores son suficientes para mostrar las perspectivas de desarrollo de la industria solar fotovoltaica y su importante posición en el campo energético. Según el "Plan de Desarrollo de Medio y Largo Plazo de Energías Renovables", para 2020 mi país se esforzará por incrementar la capacidad instalada de generación de energía solar a 1,8GW (millones de kilovatios), y para 2050 alcanzará los 600GW (millones de kilovatios). kilovatios). 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%. La próxima década será una etapa en la que la industria solar fotovoltaica de mi país seguirá desarrollándose rápidamente.
3.3 Conversión de energía fotoquímica
Esta tecnología de conversión incluye el uso de electrodos semiconductores para generar electricidad y la electrólisis del agua para generar hidrógeno, y el uso de la descomposición térmica del hidróxido de calcio. o hidruros metálicos para almacenamiento de energía. Sólo cuando se resuelva el problema de la producción solar de hidrógeno se podrá aprovechar realmente la utilización de la energía del hidrógeno (incluidas las pilas de combustible), lo que provocará cambios en los tiempos.
Se está estudiando la producción de hidrógeno solar. Existen varias formas:
1) Electrólisis solar del agua para producir hidrógeno. La producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua es actualmente un método ampliamente utilizado y relativamente maduro con alta eficiencia (75%-85%), pero consume mucha energía. Usar electricidad convencional para producir hidrógeno no vale la pena en términos de utilización de energía. . Por lo tanto, sólo cuando el coste de la generación de energía solar baje significativamente se podrá lograr la producción de hidrógeno a gran escala a partir de la electrólisis del agua.
2) La energía solar térmica se descompone para producir hidrógeno. Cuando el agua o el vapor se calientan por encima de los 3000 K, el hidrógeno y el oxígeno del agua pueden descomponerse. Este método tiene una alta eficiencia de producción de hidrógeno, pero requiere un concentrador de alta potencia para obtener una temperatura tan alta. Este método generalmente no se utiliza para producir 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 intermediarios al agua, luego calentándola a una temperatura más baja, pasando a a través de diferentes etapas de reacción, y finalmente descompone el agua en hidrógeno y oxígeno, y los intermedios no se consumen y pueden reciclarse. La temperatura de descomposición del ciclo termoquímico es de aproximadamente 900-1200 K, que es una temperatura que se alcanza fácilmente con los concentradores de espejos parabólicos giratorios ordinarios. Su eficiencia de descomposición del agua es de 17,5%-75,5%.
El principal problema es la reducción de intermedios, aunque sea del 99,9%-99. La reducción del 99% requiere un suplemento del 0,1%-0,01%, lo que afectará al precio del hidrógeno y provocará contaminación ambiental.
4) La división fotoquímica del agua solar para producir hidrógeno. Este proceso de producción de hidrógeno es similar al ciclo termoquímico de producción de hidrógeno mencionado anteriormente. Se agrega al agua una determinada sustancia fotosensible como catalizador para aumentar la absorción de la energía luminosa de onda larga de la luz solar y se utilizan reacciones fotoquímicas para producir hidrógeno. 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 dividen el agua para producir hidrógeno. En 1972, el japonés Honda Kenichi y otros utilizaron un electrodo semiconductor de dióxido de titanio tipo n como ánodo y negro de platino como cátodo para fabricar una célula fotoelectroquímica solar. Bajo la luz solar, el cátodo produce hidrógeno y el ánodo produce oxígeno. Cuando está conectada, la corriente fluirá, es decir, la celda fotoelectroquímica puede dividir el agua simultáneamente para producir hidrógeno, producir oxígeno y obtener energía eléctrica bajo la irradiación de la luz solar. Este resultado experimental atrajo gran atención de científicos de todo el mundo y lo consideró un gran avance en la tecnología de energía solar. Sin embargo, la eficiencia de la producción fotoelectroquímica de hidrógeno es muy baja, solo el 0,4%. Solo puede absorber la luz ultravioleta y la luz casi ultravioleta de la luz solar, y el electrodo es susceptible a la corrosión y tiene un rendimiento inestable, por lo que aún no ha alcanzado los requisitos prácticos. .
6) La fotocomplejación solar cataliza la división del agua para producir hidrógeno. Desde 1972, los científicos han descubierto que el estado excitado del complejo de uñas de terpiridina tiene la capacidad de transferir electrones y catalizar la reacción de transferencia de carga del complejo. Propusieron utilizar este proceso para fotolizar el agua y producir hidrógeno. Este complejo es un catalizador que absorbe energía luminosa, produce separación, transferencia y acumulación de carga y, en última instancia, descompone el agua en hidrógeno y oxígeno mediante una serie de procesos de acoplamiento. La compleja división catalítica del agua para producir hidrógeno aún no está madura y el trabajo de investigación continúa.
7) Fotosíntesis biológica para producir hidrógeno. Hace más de 40 años, se descubrió que las algas verdes pueden liberar hidrógeno cuando se exponen a la luz solar en condiciones anaeróbicas. Hace más de 10 años, se descubrió que muchas algas, como las algas verdiazules, pueden liberar gas mediante fotosíntesis en determinadas condiciones. después de adaptarse a un ambiente libre de oxígeno durante un período de tiempo. En la actualidad, debido a una comprensión insuficiente de los mecanismos de la fotosíntesis y la liberación de hidrógeno por las algas, la eficiencia de la liberación de hidrógeno por las algas es muy baja y todavía queda un camino considerable para lograr la producción de hidrógeno diseñada. Se estima que si la eficiencia de producción de hidrógeno de la fotosíntesis de las algas se aumenta al 10%, las algas pueden producir 9 moles de hidrógeno por metro cuadrado por día, y todas las necesidades de combustible de los Estados Unidos se pueden satisfacer mediante el proyecto de liberación de hidrógeno fotosintético. utilizando la energía solar recibida por 50.000 kilómetros cuadrados.
3.4 Conversión de energía solar-energía de biomasa
Conversión de energía solar-energía mecánica. A principios del siglo XX, los físicos rusos demostraron experimentalmente que la luz tiene presión. En la década de 1920, físicos de la ex Unión Soviética propusieron utilizar enormes velas solares en el espacio para 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 la vela solar se podrá hacer realidad en los próximos 10 a 20 años. Normalmente, la conversión de energía solar en energía mecánica requiere una conversión indirecta mediante procesos intermedios.
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.
1. Alta contaminación
Provocada principalmente por la contaminación por tetrahidruro de silicio y otros gases inflamables, explosivos y tóxicos y la contaminación causada por las baterías durante la producción de silicio.
El 90% de las células solares actuales son células de silicio cristalino. La materia prima es silicio policristalino, que se purifica a partir de silicio metálico (silicio industrial). En la actualidad se utilizan métodos químicos (métodos Siemens modificados). : primero, el silicio metálico se convierte en triclorosilano, luego se fracciona y se purifica por destilación para obtener triclorosilano de alta pureza (que es tóxico, corrosivo y explosivo), y finalmente se reduce con hidrógeno en este proceso, solo alrededor del 25% del triclorosilano; Se obtiene silicio hidrógeno que se convierte en silicio policristalino y el resto se descarga básicamente directamente. La contaminación más grave es el subproducto producido durante el proceso de reducción: el tetracloruro de silicio (un líquido tóxico que es extremadamente corrosivo, difícil de conservar y tiene toxicidad aguda.
Dado que el tetracloruro de silicio no se puede degradar de forma natural, si se vierte o se entierra, las masas de agua quedarán gravemente contaminadas y la tierra se volverá estéril). Esto no incluye grandes cantidades de cloro y otros gases inflamables, explosivos y tóxicos.
Cada panel solar de 1KW requiere 10Kg de polisilicio y produce más de 80Kg de tetracloruro de silicio. Sólo hay una empresa en China que puede reducir las emisiones de tetracloruro de silicio mediante el ciclo del proceso de circuito cerrado de reducción de hidrogenación, e incluso mediante el ciclo del proceso de circuito cerrado de reducción de hidrogenación, las emisiones de tetracloruro de silicio todavía alcanzan el 50%; También es una materia prima química, la digestión de la planta química aguas abajo es muy limitada. La mayoría de los fabricantes nacionales de polisilicio venden una pequeña parte de su tetracloruro de silicio a fabricantes intermedios a precios bajos, almacenan una parte y entierran el resto en secreto.
No se incluyen otros materiales auxiliares 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 para la 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 generarán electricidad cuando se expongan a la luz solar, 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 y su nivel de contaminación es bastante alto.
2. Alto consumo de energía
Fundir sílice en silicio metálico, purificar silicio metálico en silicio policristalino y procesar obleas de silicio policristalino requieren una gran cantidad de electricidad, que se concentra principalmente en sílice. fundición, lingotes de silicio policristalino y difusión de estos procesos. Cada producción de paneles solares de 1 KW requiere entre 5.800 y 6.000 kilovatios-hora de electricidad (promedio nacional). Podemos calcularlo así: Basado en el tiempo de iluminación promedio de 4 horas/día, la vida útil de la celda solar es de 15 a 20 años (basado en 20 años). La generación total de energía de la celda solar de 1KW es 4x365x20=29200KW. ?h; y los 6000 kWh de electricidad consumidos. En comparación, su índice de regeneración de energía es de solo 4,87, lo que no incluye la eficiencia de la iluminación, la pérdida del suministro de energía del inversor y la pérdida del circuito de control, es mucho menor que la energía hidroeléctrica; y energía eólica. Si se añaden accesorios adicionales como vidrio ultrablanco, aleación de aluminio, acero y cables, el índice de regeneración de energía será bastante bajo.
El mayor problema es que más del 90% de los paneles solares producidos nacionalmente se exportan. Otros países disfrutan de energía limpia, pero nuestro país sufre consumo de energía y contaminación.
Escríbelo al final
Según los resultados de predicción de los departamentos pertinentes sobre la proporción de diversas fuentes de energía primaria en la composición energética mundial en 2050, su composición es: petróleo 0, el gas natural el 13%, el carbón el 20%, la energía nuclear el 10%, la energía hidroeléctrica el 5%, la energía solar (incluida la energía eólica y la energía de biomasa) el 50% y otras energías nuevas y renovables representadas por la energía solar jugarán un papel importante. papel en el desarrollo sostenible.
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 la principal fuente de contaminación del aire en China. El vigoroso desarrollo 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 a gran escala de tecnologías y dispositivos de utilización de energía solar limitará inevitablemente el aumento de los precios de la energía fósil.
Referencias
1. Enciclopedia Baidu/view/21294.htm
2 Descripción general y perspectivas de aplicación de la tecnología de secado solar Zhang Biguang
3. Utilización de la energía solar y desarrollo sostenible Yao Wei
4. Introducción al sistema de bomba de calor solar Zhuo Jing
5. Progreso en la utilización de la energía solar en mi país Lu Weiluo Zhentao
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6. Zonificación de la utilización de recursos solares en mi país Wang Bingzhong
7 La generación de energía solar aún no es económicamente viable Ge Weimin