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Diseño del sistema de energía solar
- Apr 08, 2018 -

Análisis de Potenti al y Perspectivas de la Energía Solar

La utilización de energía solar en China es prometedora. En la actualidad, la escala de la industria de la energía solar ocupa el primer lugar en el mundo y es un importante productor de células solares fotovoltaicas. Aunque se han establecido las bases para el desarrollo a gran escala de la generación de energía fotovoltaica en China, todavía hay margen de mejora en la tecnología. Este artículo analiza el potencial de la energía solar y sus perspectivas discutiendo tecnologías de generación de energía solar tales como celdas y matrices fotovoltaicas planas, equipos de generación de energía fotovoltaica concentrada, sistemas convergentes de generación de energía térmica y sistemas de generación de energía térmica de concentración de torres. Análisis, y preliminar señaló la dirección principal del desarrollo de la energía solar de China en el futuro.

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El status quo de la generación de energía solar Cuando el tema de la energía se convierte cada vez más en un cuello de botella que restringe el desarrollo económico de la comunidad internacional, cada vez más países comienzan a desarrollar recursos de energía solar y buscan un nuevo impulso para el desarrollo económico. Como una nueva fuente de energía renovable, la energía solar ha atraído una atención creciente. Desde la perspectiva de la seguridad del suministro de energía y la utilización limpia, los países de todo el mundo están tomando la comercialización y la utilización de la energía solar como una importante dirección de desarrollo. La UE, Japón y los Estados Unidos enfocarán su seguridad en el suministro de energía después de 2030 en energía renovable como la energía solar. Se estima que para el año 2030, la energía solar representará más del 10% del suministro eléctrico mundial y el 200% para el año 2050. El desarrollo y uso a gran escala de la energía solar ocupará un lugar en todo el suministro de energía. China es rica en recursos de energía solar, y su uso de la energía solar tiene amplias perspectivas. En la actualidad, la industria de la energía solar de China ocupa el primer lugar en el mundo y es un importante productor de células solares fotovoltaicas. La industria de generación de energía fotovoltaica de China comenzó en la década de 1970 y entró en un período de desarrollo constante a mediados de la década de 1990. La producción de células solares y módulos ha aumentado constantemente año tras año. Después de más de 30 años de arduo trabajo, hemos iniciado una nueva etapa de rápido desarrollo. Impulsado por el proyecto piloto "Proyecto Guangming" y el proyecto "Transmission to Township" y los proyectos de otros países y el mercado mundial de energía fotovoltaica, la industria de generación de energía fotovoltaica de China se ha desarrollado rápidamente. A fines de 2007, la capacidad acumulada de los sistemas fotovoltaicos en todo el país alcanzó 100.000 kilovatios, con más de 50 compañías dedicadas a la producción de células solares, capacidad de producción de células solares de 2.9 millones de kilovatios y producción anual de células solares de 1.188 megavatios, superando a Japón y Europa. Se ha establecido preliminarmente una cadena industrial completa compuesta por la producción de materias primas y la construcción de sistemas fotovoltaicos. En particular, se ha logrado un progreso significativo en la producción de materiales de polisilicio, rompiendo la producción anual de 10.000 toneladas y rompiendo el cuello de botella de la producción de materia prima de células solares. Se sentaron las bases para el desarrollo a gran escala de la generación de energía fotovoltaica en China. En la actualidad, la promulgación y aplicación de la "Ley de Energía Renovable" en China proporciona una garantía de política para el desarrollo de la industria de utilización de la energía solar; la firma del Protocolo de Kyoto, la introducción de políticas de protección ambiental y el compromiso con la comunidad internacional brindarán oportunidades a la industria de utilización de la energía solar; China El ajuste de la estrategia energética ha permitido al gobierno aumentar su apoyo al desarrollo de la energía renovable, lo que ha creado oportunidades para el desarrollo de la industria de la energía solar. Las principales tecnologías de energía solar Las principales formas de energía solar incluyen: células y matrices fotovoltaicas planas, equipos de concentración de generación de energía fotovoltaica, sistemas convergentes de generación de energía térmica, sistemas de generación de energía térmica de concentración tipo torre y recolección de calor de condensador a través del canal Tecnología de generación de energía y sistemas de energía híbridos. Las células y matrices fotovoltaicas de panel plano ahora están disponibles en células fotovoltaicas planas comerciales .

Utilice tecnología de células de silicio monocristalino o policristalino. Por lo general, un solo módulo de batería se conecta en serie para formar una cadena de batería, y varias cadenas de batería se conectan en paralelo y se empaquetan para formar un panel solar. La capacidad de la batería instalada de cada panel solar es de 150 Wp a 200 Wp, es decir, bajo condiciones ideales (luz solar vertical, la temperatura ambiente no supera los 25 ° C, el valor de iluminancia DNI alcanza un índice de región superior Clase I o Clase II) y su Valor máximo de CC La capacidad de generación de energía es de 150W a 200W. En circunstancias normales, para garantizar la generación de energía, la capacidad instalada de paneles solares es mayor que el uso esperado de la capacidad. En condiciones normales, la capacidad de instalación debe diseñarse para usar de 1.3 a 1.5 veces la capacidad. En Europa y los Estados Unidos, los paneles solares se utilizan principalmente en la generación de energía residencial independiente, con una capacidad de instalación que generalmente oscila entre 3kWp y 5kWp; o edificios públicos a gran escala o la generación de energía para techos o cortinas de edificios comerciales, y su capacidad de instalación generalmente es de 100 kW a 1000 kWp. Este tipo de generación de energía solar se llama Building Integrated Photovoltaic (BIPV). Cuando el sistema de generación de energía fotovoltaica de tipo de panel plano suministra potencia a la carga de CC, el conjunto de paneles se alimenta directamente con la potencia de carga después de ser ensamblado por la caja de conexiones (caja); cuando se utiliza junto con el sistema de CA tradicional, la fuente de alimentación de CC se ensambla y luego se genera mediante el inversor para cumplir con la frecuencia de voltaje de CA. La corriente alterna monofásica o trifásica se importa al sistema de alimentación del usuario. Los paneles solares se colocan de acuerdo con la capacidad de generación de energía planificada para formar un sistema de generación de energía fotovoltaica de panel plano a gran escala, y también se pueden construir plantas de energía fotovoltaica a gran escala. Según los datos empíricos de las plantas de energía fotovoltaica de panel plano a gran escala construidas en el extranjero, la tecnología de generación de energía fotovoltaica de panel fijo requiere un espacio de 3,5 acres por MW de capacidad instalada, aproximadamente 21 mu de tierra. En la actualidad, la mayor planta de energía fotovoltaica de panel plano tiene una escala de no más de 5MW.

 

Los sistemas de generación de energía fotovoltaica de panel plano incluyen principalmente paneles solares, sistemas de protección y recolección de CC, inversores, sistemas de protección y conmutación de CA, medición de generación de energía e infraestructura. Si se trata de una planta de energía conectada a la red a gran escala, también se deben considerar las líneas de CC, las líneas de CA y las estaciones de refuerzo. La eficiencia de conversión fotoeléctrica total del sistema de generación de energía fotovoltaica tipo placa es de aproximadamente 16% a 18%. En este sistema, con el fin de aumentar la eficiencia de generación de energía de la luz solar, se puede usar un sistema de seguimiento de un solo eje o dos ejes para aumentar el tiempo de luz solar directa y aumentar la generación de energía. El sistema de seguimiento de un solo eje puede aumentar la generación de energía en aproximadamente un 25%, y el sistema de seguimiento de doble eje puede aumentar la generación de energía en aproximadamente un 40%. Dado que el sistema de seguimiento necesita impulsar el panel para que gire de acuerdo con el ángulo azimutal del sol, la huella se duplicará.

De acuerdo con el precio actual de las materias primas de silicio cristalino en el mercado internacional, el costo unitario del sistema de generación de energía fotovoltaica de panel plano es de aproximadamente 20,000 yuanes a 50,000 yuanes por kW de capacidad instalada. Si se construye una planta de energía fotovoltaica de tipo panel plano de megavatios, el costo de la línea aumentará considerablemente. Teniendo en cuenta la pérdida de contaminantes, pérdidas de CC, pérdidas de inversores y pérdidas de línea en el sitio del panel del módulo de baterías causadas por factores climáticos, el costo de inversión integrado por kilovatio de electricidad generado por el sistema de generación de energía fotovoltaica de panel plano es de aproximadamente 35,000 a 40,000. yuan. El sistema de generación de energía fotovoltaica de panel plano tiene una estructura simple, un bajo contenido técnico y una instalación y construcción conveniente. Dado que el precio de los materiales de silicio cristalino ha disminuido, su costo ha disminuido. Sin embargo, la eficiencia de generación de energía es baja, el transporte es inconveniente y el mantenimiento no es conveniente. Por ejemplo, una vez que se forma la arena o la nieve y la superficie de la placa de la batería está bloqueada, lleva mucho tiempo limpiarla y afectar la eficiencia de la generación de energía. Una vez que la superficie de la placa de la batería forma un efecto de "punto" parcial, esto causará que el módulo obstruido de la batería se dañe por el calor excesivo, lo que ocasionará una pérdida permanente. Al mismo tiempo, si se utiliza la tecnología de generación de energía fotovoltaica de panel plano para construir plantas de energía fotovoltaica a gran escala, la instalación y el tiempo de construcción de línea se extenderán significativamente, lo que afectará el período de retorno de la inversión. Además, el sistema de generación de energía fotovoltaica de panel plano depende principalmente de una gran cantidad de silicio cristalino, el costo depende del precio de los materiales de silicio cristalino internacional, las materias primas están principalmente en manos de un puñado de países, y solo el procesamiento doméstico las empresas tienen riesgos estratégicos.

Concentración de equipos de generación de energía fotovoltaica

La tecnología fotovoltaica de concentración (CPV) es una tecnología de generación de energía fotovoltaica a gran escala que se ha desarrollado rápidamente en los últimos años. Se utiliza principalmente en plantas de energía solar fotovoltaica conectadas a la red de megavatios y superiores. En comparación con la tecnología de generación de energía fotovoltaica de panel plano, las principales razones de su popularidad son su naturaleza económica, corto período de construcción, espacio reducido, fácil mantenimiento y menor demanda de nivelación del sitio que los sistemas de generación de energía fotovoltaica de panel plano. Las tecnologías centrales para la generación de energía del sistema CPV son "célula de unión múltiple" y "lente Fresnel". Al mismo tiempo, se utilizan la tecnología de seguimiento de acimut solar de doble eje de alta precisión y el sistema CPV impulsado hidráulicamente hasta la fecha. La concentración de luz de un área grande en la superficie de una batería con un área pequeña puede ejercer completamente la eficiencia de conversión de la célula fotovoltaica y generar más electricidad que la luz solar directa en la superficie de la celda. En condiciones de laboratorio, una batería de panel plano de 6 pulgadas puede generar de 2 a 3 vatios de electricidad, mientras que una celda de varias uniones con la misma área después de enfocar con una lente Fresnel puede producir 1000 vatios de electricidad.

 

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De acuerdo con el sistema actual de CPV que se ha puesto en uso comercial en el mundo, su eficiencia de conversión óptica-eléctrica excede el 30%. Según la última instalación del sistema CPV en los Estados Unidos, el costo promedio de inversión por vatio de generación de energía es de 3 a 4 dólares estadounidenses, es decir, el costo de inversión integral por kilovatio de generación de electricidad es de 30,000 a 35,000 yuanes. Si se logra la producción nacional, entonces el costo puede reducirse gradualmente a 20,000 yuanes por kilovatio de generación eléctrica. La siguiente tabla muestra los principales indicadores técnicos de los equipos de generación de energía solar fotovoltaica de alta concentración producidos por una empresa extranjera. Desde la tabla, podemos ver que los 53 kilovatios de los equipos de generación de energía tienen una generación anual de energía de 145'242 kWh (en un tipo de condiciones de luz solar de alta calidad) con una expectativa de vida superior a los 25 años. Las unidades individuales de CPV incluyen principalmente "condensadores de Fresnel", células fotovoltaicas de unión múltiple y soportes de estructura celular. Los espejos de Fresnel se utilizan para enfocar la luz solar entrante en su punto focal, instalar un conjunto de celda fotovoltaica de área pequeña en el punto focal y combinar la lente y la batería en una sola unidad mediante el soporte.

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Varias unidades forman un módulo (ver la figura a continuación). Un sistema de CPV incluye un módulo de CPV, una infraestructura, un mecanismo de accionamiento hidráulico de doble eje, un sensor de velocidad de iluminación y viento, un sistema de control automático, una línea de CC y un inversor, y un control y protección de la red. En la actualidad, la mayor capacidad de los equipos de generación de energía de CPV es de 53 kW de generación de energía de CA. Equipo de generación de energía CPV • Un megavatio de capacidad de generación de energía cubre un área de 4 a 6 acres, aproximadamente 30 acres. Adecuado para áreas planas y abiertas con luz solar extremadamente alta y alta iluminancia. Tomando los Estados Unidos como ejemplo, comenzando desde el área de Los Angeles hasta que California es el mejor y mejor lugar para los recursos de energía solar en los Estados Unidos continentales, la potencia anual de la tecnología CPV es aproximadamente un 25% más alta que la tecnología de panel plano .

El equipo de generación de energía fotovoltaica de concentración tiene una alta tasa de conversión fotoeléctrica, capacidad fuerte para resistir el impacto del clima, bajos requisitos de nivelación del sitio, escalado conveniente, menor costo de inversión, baja dependencia de materiales semiconductores y corto período de instalación para fácil implementación. Retorno de la inversión. Al mismo tiempo, los costos de la tecnología de generación de energía fotovoltaica concentrada y la concentración de equipos están relativamente descentralizados, y es fácil realizar el ensamblaje local, y también es conveniente realizar la producción industrial local. El riesgo estratégico es relativamente pequeño. Sin embargo, la construcción básica del sistema requiere altos requisitos y depende completamente de la instalación de maquinaria a gran escala. El nivel técnico del equipo de instalación y construcción y el personal de operación y mantenimiento requiere altos estándares y requiere una depuración especializada del sistema de vez en cuando.

Sistema de generación de energía de condensación a través

La tecnología de canal es actualmente la tecnología más madura en Concentrated Solar Power (CSP). En aplicaciones de energía solar en el desierto a gran escala, la tecnología de canal es la tecnología más antigua que se usa, y cada vez muestra más sus ventajas operativas y de costo. Actualmente, hay en operación más de 400 MW en el mundo, y 350 MW están en construcción. El sistema de canal en la planificación y el diseño es de aproximadamente 7 GW. Las centrales termosolares incluyen la recolección de calor y la generación de energía. La sección de generación de energía es la misma que la generación de energía de vapor convencional. La sección de recolección de calor incluye principalmente espejos de colectores parabólicos, receptores de calor, sistemas de control de seguimiento de un solo eje e infraestructura de colectores. Actualmente existen tres estructuras principales de plantas de energía solar térmica: la más simple es generar electricidad solo a la luz del sol, la otra incluye un conjunto de dispositivos de almacenamiento de calor y el tercer tipo es el sistema de energía híbrido antes mencionado. Para construir una planta de energía solar térmica de 100 MW, el canal parabólico requiere un área de alrededor de 2.883.388 mu, incluida una planta de energía térmica solar de tanque completo con 7 horas de almacenamiento de calor. Ocupará un área de 5.706 mu. El canal parabólico rastrea continuamente el sol durante el día, reflejando la luz solar hacia el tubo receptor montado en su punto focal. El diseño del tubo receptor le permite maximizar la recolección de energía solar con la menor pérdida posible. El fluido medio utilizado para la transferencia de calor se hace circular en el tubo receptor y se calienta a aproximadamente 750 ° F (400 ° C). En el campo de recolección de energía solar

Junto al suelo, el medio de calentamiento calentado se intercambia de calor para generar vapor para impulsar la turbina de vapor convencional para generar electricidad. La energía térmica puede almacenarse en tanques que contienen sal fundida, por lo que también puede generar electricidad en ausencia de luz solar, por lo que la operación de una planta solar térmica puede ser parcialmente despachada por la red. Además, el vapor puede generarse a través de un campo termosolar y combinarse con un sistema de generación de energía de turbinas de vapor circulante existente para formar un sistema híbrido de generación de energía, lo que reduce el consumo de combustibles fósiles y reduce las emisiones.

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El diagrama esquemático del sistema de generación de energía térmica de condensación tipo tanque


Tomando la estación de energía solar SOLANA en Arizona, EE. UU., El sistema de energía solar termosolar más grande del mundo actualmente en construcción como ejemplo, la escala total es de 288 MW. La capacidad de generación de energía de esta central es a través de turbinas de vapor convencionales, en comparación con las tierras de cultivo ocupadas por la planta de energía. Reduce el uso de agua en un 85%. La planta de energía "campo solar" cubre 3 millas cuadradas e incluye 2700 colectores de canal. El tamaño del colector mide aproximadamente 25 pies de ancho, aproximadamente 500 pies de largo y aproximadamente 10 pies de alto. Su dispositivo de almacenamiento de calor garantiza 6 horas de generación de energía sin sol. Se informa que se espera que el proyecto entre en producción en 2011. APS (Arizona Power System) adquirirá el 100% de su electricidad. Al proporcionar energía solar, la estación de energía solar SOLANA también desea brindar servicios modernos de turismo tecnológico y turismo.

Tower Concentrating Thermal Power System

La tecnología de torre también es un tipo de GSP. Al distribuir la matriz de heliostatos dispuestos en un anillo alrededor de la torre de luz, la luz del sol se enfoca y se refleja en el receptor montado en la parte superior de la torre. El medio de transferencia de calor en el receptor absorbe la energía radiante reflejada desde el heliostato altamente concentrado y la convierte en energía térmica. La energía térmica se convierte adicionalmente en vapor para impulsar la turbina y conducir el generador para generar electricidad. La energía térmica generada también se almacena en el tanque de sal fundida. Debido a que la temperatura es más alta durante el ciclo térmico de la torre, su eficiencia global de conversión de luz-electricidad puede alcanzar el 25%.

La central térmica de torre más grande actualmente en construcción se encuentra en España con una capacidad instalada de PSMW de 20MW y un área de aproximadamente 1,415 acres. Antes de la PS20, la PS10 entró en operación comercial en 2007. Su capacidad instalada es de 11MW, incluyendo 624 heliostatos, cada área espejada de 120m2, controlada por su propio sistema de control de seguimiento de la luz del día, el sol se reflejará en la parte superior de la receptor de torre, torre de condensador de 115 m de altura. La PS10 genera 24GWh de electricidad al año.

Bajo la premisa de las condiciones del sitio, es posible generar vapor a través del campo colector térmico solar junto a las centrales térmicas convencionales existentes y con las turbinas de vapor circulantes existentes.

El sistema de generación de energía combina la formación de un sistema de energía híbrido para reducir el consumo de combustibles fósiles

Consumo, reducir emisiones.

En conclusión

A partir de la comparación de la generación de energía fotovoltaica y la tecnología de generación de energía solar térmica, la generación de energía fotovoltaica tiene un alto nivel de madurez tecnológica, y se ha puesto con éxito en operación comercial con una gran capacidad instalada. La escala de construcción e inversión es flexible y puede expandirse en etapas, pero debido al uso de generación de energía de CC, inversor de CA y modo de operación de red, la calidad de la energía no se puede garantizar de manera confiable y debido a la función de autoprotección del equipo inversor, cuando la falla de la red requiere soporte de energía no se puede programar, por lo que es adecuado para el consumo cercano o para el máximo de la red, especialmente para la temporada y el tiempo. Electricidad comercial y civil más fuerte; La generación de energía foto-térmica tiene una mayor eficiencia de conversión fotoeléctrica que la generación de energía fotovoltaica, y la escala puede alcanzar la escala de plantas térmicas convencionales de tamaño pequeño a mediano, con una ventaja de costo de escala porque utiliza métodos convencionales de generación de energía en el lado de la rejilla y La central térmica tradicional es la misma, y puede utilizarse como fuente de alimentación para Internet. En presencia de las condiciones del sitio, la energía térmica generada por la conversión de luz y calor puede combinarse con la potencia térmica original, y parte del calor del carbón o del aceite puede ser reemplazado por luz y calor para formar un sistema híbrido de generación de energía. . Las emisiones de pequeñas centrales térmicas pueden planificarse seriamente e implementarse con éxito. Ahorre algunas plantas de energía térmica pequeñas, continuó la eficiencia del grupo electrógeno de la turbina.

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El principal problema de la CSP es la gran escala de inversión, que debe alcanzar una cierta escala para poder aprovechar los beneficios de la inversión. La penetración de la tecnología es menor que la de la generación de energía fotovoltaica, que requiere recursos hídricos, un largo período de construcción y el rendimiento de expansión flexible del sistema es inferior a los sistemas de generación de energía fotovoltaica. La tecnología de generación de energía fotovoltaica, la generación de energía fotovoltaica de panel plano es adecuada para uso residencial ordinario o

La electricidad en horas pico se usa para edificios públicos y edificios comerciales; la concentración de equipos de generación de energía fotovoltaica es adecuada para la construcción de plantas de energía en línea a gran escala.