Seth Winger
28 de novembro de 2010

Enviado como curso de Física 240 , Universidade de Stanford, outono de 2010

Introdução

À medida que aumenta a discussão sobre de onde virá a próxima onda de tecnologias de geração de energia, muitos indivíduos e empresas expressaram interesse em substituir as estradas dos Estados Unidos por células fotovoltaicas duráveis. A substituição do asfalto tradicional (e à base de petróleo) por células solares oferece uma enorme oportunidade de geração de energia, como pode atestar quem já andou descalço no asfalto em um dia quente, mas exige uma enorme reforma da infraestrutura para ser viável.

Geração de energia

De acordo com a Federal Highway Administration, os Estados Unidos tinham 4.058.347 milhas de estradas rurais e urbanas em 2008. [1] Subtraindo estradas não pavimentadas e de cascalho desse total deixa 2.655.528 milhas pavimentadas de estradas - 1.016.387 urbanas e 1.639.141 rurais. Assumindo uma largura média de 12 pés por pista, uma largura média de estrada rural de 2 pistas e uma largura média de estrada urbana de 4 pistas, isso dá uma área de estrada pavimentada total de 16.690 milhas quadradas, ou 43.227 quilômetros quadrados.

As células solares de alta eficiência disponíveis no mercado hoje (ver, por exemplo, referência [2]), podem converter cerca de 18% da energia absorvida do sol em eletricidade. Uma superfície perpendicular aos raios solares no topo da atmosfera terrestre receberá uma média de 1,368 kW / m ² , enquanto a radiação solar média atingindo um ponto na superfície da Terra ( I ) pode ser calculada com a seguinte fórmula: [ 3]

I = S cos ( Z )

(1)

Aqui, S é a constante solar (1,368 kW / m ² ) e Z é o ângulo do zênite, que mede o ângulo entre a posição do sol no céu e um ponto diretamente acima da superfície em questão. Z é uma combinação de latitude (Φ), ângulo de declinação solar (δ) e ângulo horário ( H ):

Z = cos ^-1 (sinΦsinδ + cosΦcosδcos H )

(2)

O ângulo de declinação solar para o hemisfério norte é baseado na data - é 0 ° nos equinócios vernal e outonal, 23,5 ° no solstício de verão e -23,5 ° no solstício de inverno. O ângulo da hora é baseado na hora do dia:

H = 15 ° x ( t - 12)

(3)

O tempo, t , é medido em horas com meia-noite como zero, de modo que 8h00 seriam 8h00 e 20h00 seria 20.

Excluindo a noite, o pior caso absoluto para geração de energia seria um local no nordeste em uma manhã ou tarde de inverno, enquanto o melhor caso seria um local no sudoeste ao meio-dia no verão. Usando Augusta, Maine (Φ 44 ° 18'38 "N) e San Antonio, Texas (Φ 29 ° 25'N) como exemplos:

Com uma eficiência de 18%, isso significa que o melhor caso para geração de energia é 244,93 W / m ² e o pior caso é 88,09 W / m ² . Para obter uma estimativa aproximada de quanta energia um sistema rodoviário fotovoltaico geraria, 100 W / m ² será usado como uma média nacional - isso deve dar uma imagem apropriada da ordem de magnitude que poderia ser esperada de tal infraestrutura revisão.

43.227 quilômetros quadrados de estrada significam uma geração total de energia de 4,32 x 10 ¹² W para os Estados Unidos se todos os dias estivessem claros e ensolarados - mas os dados do National Climatic Data Center implicam que o número médio nacional de dias ensolarados é de aproximadamente 60% de o ano. [4] Assumindo quedas massivas na geração de energia durante dias nublados e uma janela útil de geração de energia de cerca de 5 horas (10h - 15h), isso dá um total de um ano de 4,73 x 10 ⁹ MWh de eletricidade gerada, ou cerca de 1.781 MWh por milhas de estrada. Para efeito de comparação, os EUA geraram um total de 3,95 x 10 ⁹ MWh de eletricidade em 2009 em todas as fontes de energia. [5] O mundo gerou um total de 1,91 x 10 ¹⁰ MWh de eletricidade em 2008. [5]

Custos e Desafios

Os principais custos e desafios de uma rodovia fotovoltaica são os mesmos: como proceder para substituir a infraestrutura rodoviária dos Estados Unidos - um país que tem tentado obstinadamente resistir à reformulação da infraestrutura em tudo, desde o uso de unidades métricas até a saúde. Convencer a população e os políticos de que tal reforma é necessária, no entanto, torna-se um problema minúsculo em face do fato de que substituir uma estrada de faixa única por células fotovoltaicas pode custar até US $ 4,4 milhões por milha. [6] Substituir os 2.655.528 milhas de rodovia pavimentada nos EUA é proibitivo para dizer o mínimo, mas a tecnologia pode ser viável para geração em menor escala - a compensação é então $ 4,4 milhões por 1.781 MWh de eletricidade, ou um custo de $ 2.470 por MWh. As projeções da Energy Information Administration para os custos de eletricidade em 2016 listam a energia gerada a partir de fotovoltaicos convencionais a $ 396 por MWh e a energia gerada a partir de carvão a $ 100 por MWh. [7] É concebível, então, que os avanços na fabricação da rodovia fotovoltaica poderiam reduzir seu custo por um fator de dez e torná-la uma opção de custo competitivo.

O segundo desafio é tornar as células solares usadas na rodovia duráveis o suficiente para sobreviver às agressões constantes inerentes a servir como uma das estradas de nosso país. O custo de US $ 4,4 milhões citado leva isso em consideração - as células examinadas são à prova de intempéries e protegidas por uma espessa camada de vidro translúcido endurecido ou policarbonato, permitindo uma grande porcentagem de luz incidente, mas simultaneamente fornecendo uma camada de forte proteção contra os veículos usando a estrada. [6]

O desafio final é manter a rodovia - uma rodovia de asfalto requer manutenção de rotina para consertar buracos, repintar linhas, etc., e uma rodovia fotovoltaica também exigirá a substituição regular das células conforme as células mais antigas morrem. Se as células têm uma vida útil de 20 anos, isso pode ser modelado como 1/20 das células precisando de substituição a cada ano - e para 2,5 milhões de milhas de células a $ 4,4 milhões por milha, isso resulta em mais de $ 500 bilhões em manutenção por ano.

Conclusão

A ideia de uma rodovia fotovoltaica - estradas feitas de células solares que substituem asfalto e alimentam a área circundante - não será concretizada até que o custo de instalação possa ser reduzido para tornar a tecnologia comparável a outros métodos de geração de energia. No entanto, a ideia central por trás da rodovia é simples: substitua os objetos do cotidiano que não geram energia por outros que geram. Se a tecnologia puder ser competitiva em termos de custos, a rodovia fotovoltaica pode ser apenas a primeira em uma linha de novos paradigmas de geração de energia.

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Referências

[1] " Highway Statistics 2008 ," Federal Highway Administration, outubro de 2009.

[2] M. Green et al. , "High Efficiency Silicon Solar Cells", IEEE Transactions on Electron Devices, 31 , 679 (1984).

[3] G. Stickler, " Solar Radiation and the Earth System ," National Aeronautics and Space Administration, 20 de agosto de 08.

[4] " Sunshine — Average Percent Possible ", National Climatic Data Center (2008).

[5] " International Energy Statistics ", US Energy Information Administration (2010).

[6] A. Schwartz, " Recharging Roadway Startup Wins GE Prize ," Fast Company , 8 de outubro de 10.

[7] " Annual Energy Outlook 2010 ", US Energy Information Administration (2009).