Фотогальваника - Photovoltaics

The Solar Settlement , проект устойчивого жилищного строительства во Фрайбурге , Германия.
Photovoltaic SUDI shade - это автономная мобильная станция во Франции, обеспечивающая электроэнергией электромобили с использованием солнечной энергии.

Фотовольтаика ( ФЭ ) - это преобразование света в электричество с использованием полупроводниковых материалов, которые демонстрируют фотоэлектрический эффект - явление, изучаемое в физике , фотохимии и электрохимии . Фотоэлектрический эффект коммерчески используется для производства электроэнергии и в качестве фотосенсоров .

В фотоэлектрической системе используются солнечные модули , каждый из которых состоит из нескольких солнечных элементов , вырабатывающих электроэнергию. Фотоэлектрические установки могут быть наземными, потолочными, настенными или плавающими. Крепление может быть фиксированным или использовать солнечный трекер, чтобы следить за солнцем по небу.

Некоторые надеются, что фотоэлектрические технологии будут производить достаточно доступной устойчивой энергии, чтобы помочь смягчить глобальное потепление, вызванное CO.
2
. Солнечные фотоэлектрические системы обладают определенными преимуществами в качестве источника энергии: после установки они не вызывают загрязнения и выбросов парниковых газов , они демонстрируют простую масштабируемость в отношении потребностей в энергии, а кремний имеет большую доступность в земной коре, хотя в фотоэлектрической системе требуются другие материалы. производство, такое как серебро, в конечном итоге ограничит дальнейший рост технологии. Другие выявленные серьезные препятствия - это конкуренция за землепользование и нехватка рабочей силы для подачи заявок на финансирование. Использование фотоэлектрических модулей в качестве основного источника требует систем хранения энергии или глобального распределения по высоковольтным линиям электропередач постоянного тока, вызывающих дополнительные расходы, а также имеет ряд других конкретных недостатков, таких как нестабильная выработка электроэнергии и необходимость компенсации энергетическими компаниями слишком много солнечной энергии в структуре предложения из-за наличия более надежных традиционных источников питания для регулирования пиков спроса и потенциального дефицита. Производство и установка действительно вызывают загрязнение и выбросы парниковых газов, и не существует эффективных систем для переработки панелей, когда срок их службы истекает через 10–30 лет.

Фотоэлектрические системы уже давно используются в специализированных приложениях в качестве автономных установок, а фотоэлектрические системы , подключенные к сети , используются с 1990-х годов. Фотоэлектрические модули были впервые запущены в массовое производство в 2000 году, когда немецкие экологи и организация Eurosolar получили государственное финансирование для программы строительства десяти тысяч крыш.

Снижение затрат позволило фотоэлектрической системе расти как источнику энергии. Частично это было вызвано огромными инвестициями правительства Китая в развитие мощностей по производству солнечной энергии с 2000 года и достижением эффекта масштаба . Большая часть стоимости производства приходится на ключевой компонент поликремния , и большая часть мировых поставок производится в Китае, особенно в Синьцзяне . Помимо субсидий, низкие цены на солнечные панели в 2010-х годах были достигнуты за счет низкой цены на энергию из угля и дешевых затрат на рабочую силу в Синьцзяне, а также за счет улучшения производственных технологий и повышения эффективности. Достижения в области технологий и увеличение масштабов производства также повысили эффективность фотоэлектрических установок. Чистые измерения и финансовые стимулы, такие как льготные льготные тарифы на электроэнергию, вырабатываемую солнечными батареями, поддержали установку солнечных фотоэлектрических систем во многих странах. В период с 2004 по 2011 год цены на панели упали в 4 раза. Цены на модули упали на 90% по сравнению с 2010-ми годами, но начали резко расти в 2021 году.

В 2019 году установленная во всем мире фотоэлектрическая мощность увеличилась до более чем 635 гигаватт (ГВт), что покрывает примерно два процента мирового спроса на электроэнергию . После гидроэнергетики и ветра фотоэлектрическая энергия является третьим возобновляемым источником энергии с точки зрения мировой мощности. В 2019 году Международное энергетическое агентство ожидало роста на 700-880 ГВт с 2019 по 2024 год. В некоторых случаях фотоэлектрическая энергия предлагала самый дешевый источник электроэнергии в регионах с высоким солнечным потенциалом, предлагая цену всего 0,01567 долларов США. $ / кВтч в Катаре в 2020 году.

Этимология

Термин «фотоэлектрические» происходит от греческого φῶς ( phōs ), означающего «свет», и от «вольт», единицы электродвижущей силы, вольт , который, в свою очередь, происходит от фамилии итальянского физика Алессандро Вольта , изобретателя аккумулятор ( электрохимический элемент ). Термин «фотоэлектрические» используется в английском языке с 1849 года.

История

Солнечные батареи

Карта фотоэлектрического потенциала
Карта фотоэлектрического потенциала позволяет оценить, сколько кВтч электроэнергии может быть произведено из отдельно стоящих модулей c-Si мощностью 1 кВтп, оптимально наклоненных к экватору. Результирующее долгосрочное среднее значение (дневное или ежегодное) рассчитывается на основе данных о погоде временного ряда как минимум за последние 10 лет.

Фотогальваника наиболее известна как метод выработки электроэнергии с использованием солнечных элементов для преобразования солнечной энергии в поток электронов с помощью фотогальванического эффекта .

Солнечные элементы производят электричество постоянного тока из солнечного света, которое можно использовать для питания оборудования или для подзарядки аккумулятора . Первым практическим применением фотоэлектрических элементов было питание орбитальных спутников и других космических аппаратов , но сегодня большинство фотоэлектрических модулей используются для систем, подключенных к сети, для выработки электроэнергии. В этом случае требуется инвертор для преобразования постоянного тока в переменный . Существует еще меньший рынок для автономных систем для удаленных жилых домов, лодок , транспортных средств для отдыха , электромобилей , придорожных телефонов экстренной связи, дистанционного зондирования и катодной защиты от трубопроводов .

В производстве фотоэлектрической энергии используются солнечные модули, состоящие из нескольких солнечных элементов, содержащих полупроводниковый материал. Медные солнечные кабели соединяют модули (модульный кабель), массивы (массивный кабель) и подобласти. Из-за растущего спроса на возобновляемые источники энергии в последние годы значительно продвинулось производство солнечных элементов и фотоэлектрических батарей .

Элементы требуют защиты от окружающей среды и обычно плотно упаковываются в солнечные модули.

Мощность фотоэлектрического модуля измеряется в стандартных условиях испытаний (STC) в «Вт p » ( пиковая мощность ). Фактическая выходная мощность в определенном месте может быть меньше или больше этого номинального значения, в зависимости от географического положения, времени суток, погодных условий и других факторов. Коэффициенты емкости солнечных фотоэлектрических батарей обычно ниже 25%, что ниже, чем у многих других промышленных источников электроэнергии.

Эффективность солнечных батарей

Электрический КПД фотоэлемента - это физическое свойство, которое представляет, сколько электроэнергии может произвести элемент при заданной солнечной радиации . Основное выражение для максимальной эффективности фотоэлектрического элемента дается отношением выходной мощности к падающей солнечной энергии (поток излучения, умноженный на площадь).

Эффективность измеряется в идеальных лабораторных условиях и представляет собой максимально достижимую эффективность фотоэлемента или модуля. Фактическая эффективность зависит от температуры, освещенности и спектра.

Эффективность преобразования энергии солнечных элементов в коммерчески доступных фотоэлектрических элементах составляет около 14–22%. КПД солнечных элементов составляет всего 6% для солнечных элементов на основе аморфного кремния. В экспериментальных условиях эффективность 44,0% была достигнута с помощью экспериментальных многопереходных концентрированных фотоэлектрических элементов . Американская компания Alta Devices, специализирующаяся на производстве фотоэлектрических элементов на основе арсенида галлия (GaAs), производит коммерческие элементы с эффективностью 26%, утверждая, что у них есть «самый эффективный в мире солнечный» однопереходный элемент, предназначенный для гибких и легких приложений. Что касается кремниевых солнечных элементов, то американская компания SunPower остается лидером с сертифицированным КПД модуля 22,8%, что значительно выше среднего рыночного уровня в 15–18%. Однако компании-конкуренты догоняют, например, южнокорейский конгломерат LG (эффективность 21,7%) или норвежская группа REC (эффективность 21,7%).

Для обеспечения наилучшей производительности наземные фотоэлектрические системы стремятся максимально продлить время пребывания лицом к солнцу. Солнечные трекеры достигают этого, перемещая фотоэлектрические модули, следуя за солнцем. Статически установленные системы можно оптимизировать путем анализа пути солнца . Фотоэлектрические модули часто устанавливаются на наклон по широте, угол, равный широте , но производительность можно улучшить, отрегулировав угол для лета или зимы. Как правило, как и в случае с другими полупроводниковыми приборами, температура выше комнатной снижает производительность фотоэлектрических модулей.

Обычно постоянный ток (DC), генерируемый солнечными фотоэлектрическими батареями, должен быть преобразован в переменный ток (AC), используемый в энергосистеме, со средней потерей 10% во время преобразования. Дополнительная потеря эффективности происходит при переходе обратно на постоянный ток для устройств и транспортных средств с батарейным питанием.

Для изготовления ячеек также требуется большое количество энергии.

Влияние температуры

Производительность фотоэлектрического модуля зависит от условий окружающей среды, в основном от общей падающей освещенности G на плоскости модуля. Однако температура T p – n-перехода также влияет на основные электрические параметры: ток короткого замыкания ISC, напряжение холостого хода VOC и максимальную мощность Pmax. Первые исследования поведения фотоэлементов в различных условиях G и T датируются несколько десятилетий назад.1-4 В целом известно, что VOC показывает значительную обратную корреляцию с T, тогда как для ISC эта корреляция прямая, но слабее, так что это приращение не компенсирует уменьшение ЛОС. Как следствие, Pmax уменьшается при увеличении T. Эта корреляция между выходной мощностью солнечного элемента и рабочей температурой его перехода зависит от материала полупроводника, 2 и обусловлена ​​влиянием T на концентрацию, время жизни и подвижность собственных носителей, то есть электронов и дырок. , внутри фотоэлемента.

Температурная чувствительность обычно описывается некоторыми температурными коэффициентами, каждый из которых выражает производную параметра, к которому он относится, по температуре перехода. Значения этих параметров можно найти в любом листе данных фотоэлектрического модуля; они следующие:

- β Коэффициент вариации ЛОС относительно T, определяемый как ∂VOC / ∂T.

- α Коэффициент вариации ISC относительно T, определяемый как ∂ISC / ∂T.

- δ Коэффициент вариации Pmax относительно T, определяемый как ∂Pmax / ∂T.

Методы оценки этих коэффициентов по экспериментальным данным можно найти в литературе. В нескольких исследованиях анализируется изменение последовательного сопротивления в зависимости от температуры элемента или модуля. Эта зависимость изучается путем соответствующей обработки вольт-амперной кривой. Температурный коэффициент последовательного сопротивления оценивается с использованием одно- или двухдиодной модели.

Производство

В целом производственный процесс создания солнечных фотоэлектрических элементов прост в том, что он не требует сборки множества сложных или движущихся частей. Из-за твердотельной природы фотоэлектрических систем они часто имеют относительно длительный срок службы, от 10 до 30 лет. Чтобы увеличить электрическую мощность фотоэлектрической системы, производитель должен просто добавить больше фотоэлектрических компонентов, и из-за этого для производителей важна экономия на масштабе, поскольку затраты снижаются с увеличением мощности.

Хотя известно много типов фотоэлектрических систем, которые, как известно, являются эффективными, фотоэлектрические системы из кристаллического кремния составляли около 90% мирового производства фотоэлектрических систем в 2013 году. Производство кремниевых фотоэлектрических систем состоит из нескольких этапов. Сначала поликремний обрабатывают из добытого кварца до очень чистой (полупроводниковой) степени. Он расплавляется, когда добавляются небольшие количества бора , элемента III группы, чтобы сделать полупроводник p-типа, богатый электронными дырками. Обычно слиток этого раствора выращивают из жидкого поликристалла с использованием затравочного кристалла. Слиток также может быть отлит в кристаллизаторе. Пластины из этого полупроводникового материала вырезаются из сыпучего материала проволочными пилами, а затем подвергаются травлению поверхности перед очисткой. Затем пластины помещают в печь для осаждения из паровой фазы фосфора, которая покрывает очень тонкий слой фосфора, элемента группы V, который создает полупроводниковую поверхность n-типа. Чтобы уменьшить потери энергии, на поверхность вместе с электрическими контактами добавляется антибликовое покрытие. После завершения работы ячейки ячейки подключаются через электрическую цепь в соответствии с конкретным применением и подготавливаются к отправке и установке.

Экологические издержки производства

Солнечная фотоэлектрическая энергия не является полностью «чистой энергией», производство производит выбросы парниковых газов (парниковых газов), материалы, используемые для создания элементов, потенциально неустойчивы и со временем закончатся, в технологии используются токсичные вещества, вызывающие загрязнение, и нет жизнеспособных технологии утилизации солнечных отходов. Для производства панелей требуется большое количество энергии, большая часть которой в настоящее время производится на угольных электростанциях в Китае. Данные, необходимые для расследования их воздействия, иногда подвержены довольно большой неопределенности. Например, стоимость человеческого труда и потребления воды не оценивается точно из-за отсутствия систематического и точного анализа в научной литературе. Одна из трудностей в определении воздействий, вызванных ФЭ, состоит в том, чтобы определить, выбрасываются ли отходы в воздух, воду или почву на этапе производства. Оценки жизненного цикла , которые рассматривают все различные воздействия на окружающую среду, начиная от потенциала глобального потепления , загрязнения, истощения водных ресурсов и других, недоступны для фотоэлектрических систем. Вместо этого в исследованиях пытались оценить влияние и потенциальные воздействия различных типов фотоэлектрических модулей, но эти оценки обычно ограничиваются простой оценкой затрат на энергию при производстве и / или транспортировке , поскольку это новые технологии и общее воздействие их компонентов на окружающую среду. и методы утилизации неизвестны даже для коммерчески доступных солнечных элементов первого поколения , не говоря уже об экспериментальных прототипах, не имеющих коммерческой жизнеспособности.

Таким образом, оценки воздействия фотоэлектрических систем на окружающую среду сосредоточены на эквиваленте углекислого газа на кВтч или сроке окупаемости энергии (EPBT). EPBT описывает временной интервал, в течение которого фотоэлектрическая система должна работать, чтобы генерировать такое же количество энергии, которое было использовано для ее производства. Другое исследование включает затраты на транспортную энергию в EPBT. EPBT также был определен совершенно иначе как «время, необходимое для компенсации всей возобновляемой и невозобновляемой первичной энергии, необходимой в течение жизненного цикла фотоэлектрической системы» в другом исследовании, которое также включало затраты на установку. Эта энергия амортизация, учитывая в годах, также упоминаются как безубыточность энергии , срок окупаемости . Чем ниже EPBT, тем меньше экологическая стоимость солнечной энергии. EPBT в значительной степени зависит от места установки фотоэлектрической системы (например, количества доступного солнечного света и эффективности электрической сети) и от типа системы, а именно от ее компонентов.

Обзор оценок EPBT для фотоэлектрических модулей первого и второго поколения в 2015 году показал, что было больше различий во встроенной энергии, чем в эффективности ячеек, подразумевая, что для большего снижения EPBT необходимо уменьшить в основном встроенную энергию.

Для производства панелей требуется большое количество энергии. В целом, наиболее важным компонентом солнечных панелей, на который приходится большая часть потребления энергии и выбросов парниковых газов, является очистка поликремния. Китай является источником большей части поликремния в мире, большая часть которого производится в Синьцзяне с использованием энергии, производимой на угольных электростанциях. Что касается того, сколько процентов EPBT в этом кремнии, зависит от типа системы. Полностью автаркичная система требует дополнительных компонентов («Баланс системы», силовых инверторов , накопителя и т. Д.), Которые значительно увеличивают стоимость энергии при производстве, но в простой крышной системе около 90% затрат на энергию приходится на кремний, остальная часть поступает от инверторов и корпуса модуля.

В анализе Alsema et al . с 1998 года срок окупаемости энергии был выше 10 лет для прежней системы в 1997 году, в то время как для стандартной системы на крыше EPBT был рассчитан от 3,5 до 8 лет.

EPBT тесно связан с концепциями чистого прироста энергии (NEG) и энергии, возвращаемой на вложенную энергию (EROI). Оба они используются в энергетической экономике и относятся к разнице между энергией, затраченной на сбор источника энергии, и количеством энергии, полученной от этого урожая. NEG и EROI также принимают во внимание срок службы фотоэлектрической системы, и обычно предполагается срок службы от 25 до 30 лет. Из этих показателей можно рассчитать срок окупаемости энергии .

Улучшения EPBT

Фотоэлектрические системы, использующие кристаллический кремний, на сегодняшний день большинство систем, которые используются на практике, имеют такое высокое значение EPBT, потому что кремний получают путем восстановления высококачественного кварцевого песка в электрических печах . Этот процесс плавки с использованием кокса происходит при высоких температурах, превышающих 1000 ° C, и является очень энергоемким, потребляя около 11 киловатт-часов (кВтч) на килограмм произведенного кремния. Энергетические потребности этого процесса делают затраты энергии на единицу производимого кремния относительно неэластичными, а это означает, что сам производственный процесс не станет более эффективным в будущем.

Тем не менее, время окупаемости энергии за последние годы значительно сократилось, поскольку элементы из кристаллического кремния становились все более эффективными в преобразовании солнечного света, а толщина материала пластины постоянно уменьшалась, и поэтому для ее производства требовалось меньше кремния. За последние десять лет количество кремния, используемого для солнечных элементов, снизилось с 16 до 6 граммов на пиковый уровень мощности . За тот же период толщина пластины c-Si была уменьшена с 300 мкм, или микрон , примерно до 160–190 мкм. Пластины кристаллического кремния в настоящее время имеют толщину всего на 40 процентов от толщины, которая была в 1990 году, когда они составляли около 400 мкм. В пильные методы , которые нарезать кристаллических кремниевых слитков на пластины также улучшена за счет снижения потерь пропила и делает его легче утилизировать опилки кремния.

Ключевые параметры эффективности использования материалов и энергии
Параметр Моно-Си CdTe
Эффективность ячейки 16,5% 15,6%
Уменьшение эффективности ячейки до модуля 8,5% 13,9%
Эффективность модуля 15,1% 13,4%
Толщина пластины / толщина слоя 190 мкм 4,0 мкм
Потеря пропила 190 мкм -
Серебро на ячейку 9,6 г / м 2 -
Толщина стекла 4.0 мм 3,5 мм
Срок службы 30 лет 30 лет
Источник: IEA-PVPS , Оценка жизненного цикла, март 2015 г.

Воздействие фотоэлектрических систем первого поколения

Кристаллические кремниевые модули являются наиболее изученным типом фотоэлектрических модулей с точки зрения LCA, поскольку они наиболее часто используются. Монокристаллические кремниевые фотоэлектрические системы (моно-си) имеют средний КПД 14,0%. Ячейки имеют тенденцию следовать структуре переднего электрода, антиотражающей пленки, n-слоя, p-слоя и заднего электрода, при этом солнце попадает на передний электрод. EPBT составляет от 1,7 до 2,7 лет. Уровень выбросов CO 2 -экв / кВтч составляет от 37,3 до 72,2 грамма.

Методы производства фотоэлектрических элементов из мультикристаллического кремния (мульти-Si) проще и дешевле, чем моно-си, однако, как правило, производятся менее эффективные элементы, в среднем на 13,2%. EPBT составляет от 1,5 до 2,6 лет. Уровень выбросов CO 2 -экв / кВтч составляет от 28,5 до 69 граммов.

Если предположить, что в следующих странах имеется высококачественная сетевая инфраструктура, как в Европе, в 2020 году было подсчитано, что в Оттаве , Канада, потребуется 1,28 года , чтобы солнечная фотоэлектрическая система на крыше произвела такое же количество энергии, которое требуется для производства кремния в модулях. в нем (без серебра, стекла, оправ и других компонентов) 0,97 года в Катании , Италия , и 0,4 года в Джайпуре , Индия . За пределами Европы, где чистая эффективность сети ниже, это займет больше времени. Это « время окупаемости энергии » можно рассматривать как часть времени в течение полезного срока службы модуля, в которой производство энергии загрязняет окружающую среду. В лучшем случае это означает, что панель 30-летней давности вырабатывала чистую энергию в течение 97% своего срока службы или что кремний в модулях солнечной панели производит на 97% меньше выбросов парниковых газов, чем угольная электростанция для того же количество энергии (принимая и игнорируя многие вещи). Некоторые исследования выходили за рамки EPBT и GWP на другие воздействия на окружающую среду. В одном из таких исследований традиционная структура энергопотребления в Греции сравнивалась с многослойной фотоэлектрической системой и обнаружила общее снижение воздействия на 95%, включая канцерогены, экотоксичность, подкисление, эвтрофикацию и одиннадцать других.

Воздействие второго поколения

Теллурид кадмия (CdTe) - один из самых быстрорастущих солнечных элементов на основе тонкой пленки, которые все вместе известны как устройства второго поколения. Это новое тонкопленочное устройство также имеет те же ограничения производительности ( предел эффективности Шокли-Кайссера ), что и обычные Si-устройства, но обещает снизить стоимость каждого устройства за счет сокращения потребления материалов и энергии во время производства. В 2008 году доля CdTe на мировом рынке составляла 4,7%. Наивысшая эффективность преобразования энергии этой технологии составляет 21%. Структура ячейки включает стеклянную подложку (около 2 мм), прозрачный проводящий слой, буферный слой CdS (50–150 нм), поглотитель CdTe и металлический контактный слой.

Фотоэлектрические системы CdTe требуют меньше энергии для своего производства, чем другие коммерческие фотоэлектрические системы на единицу выработки электроэнергии. Среднее значение CO 2 -экв / кВтч составляет около 18 граммов (от колыбели до ворот). CdTe имеет самый быстрый EPBT из всех коммерческих фотоэлектрических технологий, который варьируется от 0,3 до 1,2 года.

Экспериментальные технологии

Фотоэлектрические элементы на кристаллическом кремнии - это только один из типов фотоэлектрических элементов, и хотя они представляют собой большинство солнечных элементов, производимых в настоящее время, существует множество новых и многообещающих технологий, которые могут быть расширены для удовлетворения будущих потребностей в энергии. По состоянию на 2018 год технология кристаллических кремниевых элементов служит основой для нескольких типов фотоэлектрических модулей, включая монокристаллические, мультикристаллические, моно PERC и двусторонние.

Другая более новая технология, тонкопленочные фотоэлектрические элементы, производятся путем осаждения полупроводниковых слоев перовскита , минерала с полупроводниковыми свойствами, на подложку в вакууме. Подложка часто представляет собой стекло или нержавеющую сталь, и эти полупроводниковые слои изготовлены из многих типов материалов, включая теллурид кадмия (CdTe), диселенид меди и индия (CIS), диселенид меди, индия и галлия (CIGS) и аморфный кремний (a-Si ). После нанесения на подложку полупроводниковые слои разделяются и соединяются электрической схемой с помощью лазерного скрайбирования. Перовскитные солнечные элементы являются очень эффективным преобразователем солнечной энергии и обладают отличными оптоэлектронными свойствами для фотоэлектрических целей, но их масштабирование от ячеек лабораторного размера до модулей большой площади все еще исследуется. Тонкопленочные фотоэлектрические материалы могут стать привлекательными в будущем из-за меньших требований к материалам и стоимости изготовления модулей, состоящих из тонких пленок, по сравнению с пластинами на основе кремния. В 2019 году университетские лаборатории в Оксфорде, Стэнфорде и других странах сообщили о солнечных элементах из перовскита с эффективностью 20-25%.

Другие возможные будущие фотоэлектрические технологии включают органические, сенсибилизированные красителями и квантовые точки. Органические фотоэлектрические элементы (OPV) относятся к категории производства тонких пленок и обычно работают в диапазоне эффективности около 12%, что ниже, чем 12–21%, которые обычно наблюдаются у фотоэлектрических модулей на основе кремния. Поскольку органические фотоэлектрические элементы требуют очень высокой чистоты и относительно реактивны, они должны быть инкапсулированы, что значительно увеличивает стоимость производства и означает, что они неосуществимы для крупномасштабного увеличения. Сенсибилизированные красителем ФВ по эффективности аналогичны ОПВ, но их значительно проще производить. Однако эти сенсибилизированные красителем фотоэлектрические элементы создают проблемы при хранении, поскольку жидкий электролит токсичен и потенциально может проникать в пластмассу, используемую в элементе. Солнечные элементы на квантовых точках обрабатываются решениями, что означает, что они потенциально масштабируемы, но в настоящее время их максимальная эффективность составляет 12%.

Селенид меди-индия-галлия (CIGS) представляет собой тонкопленочный солнечный элемент на основе семейства халькопиритовых полупроводников из семейства диселенида меди-индия (CIS) . CIS и CIGS часто используются как взаимозаменяемые в сообществе CIS / CIGS. Структура ячейки включает натриево-кальциевое стекло в качестве подложки, слой Mo в качестве заднего контакта, CIS / CIGS в качестве абсорбирующего слоя, сульфид кадмия (CdS) или Zn (S, OH) x в качестве буферного слоя и ZnO: Al в качестве передний контакт. CIGS составляет примерно 1/100 толщины обычных кремниевых солнечных элементов. Материалы, необходимые для сборки, легко доступны, и их стоимость в расчете на ватт солнечного элемента ниже. Солнечные устройства на основе CIGS устойчивы к снижению производительности с течением времени и очень стабильны в полевых условиях.

Сообщаемое потенциальное воздействие CIGS на глобальное потепление варьируется от 20,5 до 58,8 граммов CO 2 -экв / кВтч электроэнергии, вырабатываемой для различного солнечного излучения (от 1700 до 2200 кВтч / м 2 / год) и эффективности преобразования энергии (7,8-9,12%). EPBT составляет от 0,2 до 1,4 года, в то время как согласованное значение EPBT составило 1,393 года. Токсичность - это проблема буферного слоя модулей CIGS, поскольку он содержит кадмий и галлий. Модули CIS не содержат тяжелых металлов.

Фотоэлектрические модули третьего поколения разработаны для объединения преимуществ устройств первого и второго поколения и не имеют предела Шокли-Кайссера , теоретического предела для фотоэлементов первого и второго поколения. Толщина устройства третьего поколения составляет менее 1 мкм.

Одна из появляющихся альтернативных и многообещающих технологий основана на органических-неорганических гибридных солнечных элементах, изготовленных из перовскитов на основе галогенида метиламмония и свинца. Фотоэлектрические элементы на основе перовскита быстро развивались за последние несколько лет и стали одной из самых привлекательных областей для исследований в области фотоэлектрических систем. Структура ячейки включает металлический задний контакт (который может быть изготовлен из Al, Au или Ag), слой переноса дырок (спиро-MeOTAD, P3HT, PTAA, CuSCN, CuI или NiO) и слой абсорбента (CH 3 NH 3 PbIxBr 3 -x, CH 3 NH 3 PbIxCl 3 -x или CH 3 NH 3 PbI 3 ), слой переноса электронов (TiO, ZnO, Al 2 O 3 или SnO 2 ) и верхний контактный слой (оксид олова, легированный фтором или оксид индия, легированный оловом).

Существует ограниченное количество опубликованных исследований, посвященных влиянию перовскитных солнечных элементов на окружающую среду. Основную проблему для окружающей среды представляет свинец, используемый в абсорбирующем слое. Из-за нестабильности перовскитных ячеек свинец может со временем попадать в пресную воду во время фазы использования. Эти исследования LCA изучали человеческую и экотоксичность перовскитных солнечных элементов и обнаружили, что они были на удивление низкими и не могли быть проблемой для окружающей среды. Было обнаружено, что потенциал глобального потепления перовскитных фотоэлектрических модулей находится в диапазоне 24–1500 граммов CO 2 -экв. / КВтч при производстве электроэнергии. Аналогичным образом, EPBT опубликованной статьи составляет от 0,2 до 15 лет. Большой диапазон представленных значений подчеркивает неопределенности, связанные с этими исследованиями. Celik et al. (2016) критически обсудили допущения, сделанные в исследованиях перовскитного PV LCA.

Двумя новыми перспективными тонкопленочными технологиями являются сульфид меди, цинка и олова (Cu 2 ZnSnS 4 или CZTS), фосфид цинка (Zn 3 P 2 ) и однослойные углеродные нанотрубки (SWCNT). Эти тонкие пленки в настоящее время производятся только в лаборатории, но в будущем могут быть коммерциализированы. Ожидается, что производство процессов CZTS и (Zn 3 P 2 ) будет аналогично технологиям производства тонких пленок CIGS и CdTe, соответственно. В то время как поглощающий слой из SWCNT PV предполагается синтезировать методом CoMoCAT. В отличие от традиционных тонких пленок, таких как CIGS и CdTe, фотоэлектрические панели CZTS, Zn 3 P 2 и SWCNT изготавливаются из обильных нетоксичных материалов и могут производить больше электричества в год, чем в настоящее время потребляется во всем мире. Хотя по этим причинам CZTS и Zn 3 P 2 являются многообещающими, конкретные экологические последствия их промышленного производства еще не известны. Потенциал глобального потепления CZTS и Zn 3 P 2 составил 38 и 30 граммов CO 2 -экв / кВтч, в то время как их соответствующие EPBT составили 1,85 и 0,78 года, соответственно. В целом CdTe и Zn 3 P 2 оказывают схожее воздействие на окружающую среду, но могут немного превосходить CIGS и CZTS. Исследование воздействия на окружающую среду ФУ из SWCNT, проведенное Celik et al., Включая существующее устройство с эффективностью 1% и теоретическое устройство с эффективностью 28%, показало, что, по сравнению с монокристаллическим Si, воздействие на окружающую среду от 1% SWCNT было примерно в 18 раз выше из-за в основном на короткий срок службы в три года.

Органические и полимерные фотоэлектрические элементы (OPV) - относительно новая область исследований. Традиционные слои структуры ячеек OPV состоят из полупрозрачного электрода, слоя блокировки электронов, туннельного перехода, слоя блокировки отверстий, электрода, при этом солнце попадает на прозрачный электрод. OPV заменяет серебро на углерод в качестве электродного материала, что снижает стоимость производства и делает их более экологически чистыми. OPV отличаются гибкостью, малым весом и хорошо подходят для массового производства рулонов. OPV использует «только изобилие элементов в сочетании с чрезвычайно низким энергопотреблением за счет очень низких температур обработки с использованием только окружающих условий обработки на простом печатном оборудовании, обеспечивающем время окупаемости энергии». Текущий КПД колеблется от 1 до 6,5%, однако теоретический анализ показывает многообещающую эффективность выше 10%.

Существует множество различных конфигураций ОПВ с использованием разных материалов для каждого слоя. Технология OPV конкурирует с существующими фотоэлектрическими технологиями с точки зрения EPBT, даже если в настоящее время они имеют более короткий срок эксплуатации. В исследовании 2013 года было проанализировано 12 различных конфигураций, все с эффективностью 2%, EPBT варьировался от 0,29 до 0,52 года на 1 м 2 фотоэлектрической панели . Среднее значение CO 2- экв / кВтч для ОПВ составляет 54,922 грамма.

Там, где земля может быть ограничена, фотоэлектрические панели могут быть развернуты как плавающие солнечные . В 2008 году винодельня Far Niente стала пионером в создании первой в мире «поплавковой гальванической» системы, установив 994 фотоэлектрических солнечных панели на 130 понтонов и разместив их в ирригационном пруду винодельни. Преимущество установки заключается в том, что панели хранятся при более низкой температуре, чем на суше, что приводит к более высокой эффективности преобразования солнечной энергии. Плавающие панели также уменьшают количество воды, теряемой за счет испарения, и препятствуют росту водорослей.

Концентраторные фотоэлектрические элементы - это технология, которая в отличие от обычных плоских фотоэлектрических систем использует линзы и изогнутые зеркала для фокусировки солнечного света на небольших, но высокоэффективных многопереходных солнечных элементах. В этих системах иногда используются солнечные трекеры и система охлаждения для повышения их эффективности.

Экономика

Источник: Apricus

За прошедшие годы произошли серьезные изменения в основных затратах, отраслевой структуре и рыночных ценах на солнечные фотоэлектрические технологии, и получение целостной картины изменений, происходящих в производственно-сбытовой цепочке во всем мире, является сложной задачей. Это связано с: «быстротой изменения затрат и цен, сложностью цепочки поставок фотоэлектрических систем, которая включает в себя большое количество производственных процессов, балансом системы (BOS) и затратами на установку, связанными с полными фотоэлектрическими системами, выбором разные каналы сбыта и различия между региональными рынками, на которых развертывается фотоэлектрическая энергия ». Дальнейшие сложности возникают из-за множества различных инициатив по поддержке политики, которые были предприняты для облегчения коммерциализации фотоэлектрической энергии в разных странах.

Технологии возобновляемых источников энергии в целом стали дешевле с момента их изобретения. Возобновляемые источники энергии стали дешевле в строительстве, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе, в большей части мира, в частности, благодаря достижениям в технологии ветровой и солнечной энергии.

Затраты на оборудование

История цен на ватт для обычных ( c-Si ) солнечных элементов с 1977 года.

В 1977 году цены на солнечные элементы из кристаллического кремния составляли 76,67 долларов за Вт.

Хотя в начале 2000-х годов оптовые цены на модули оставались неизменными на уровне от 3,50 до 4 долларов за Вт из-за высокого спроса в Германии и Испании, обеспечиваемого щедрыми субсидиями и нехваткой поликремния, спрос резко упал из-за резкого прекращения субсидий в Испании после краха рынка в 2008 году. и цена резко упала до 2,00 долларов за Вт. Производители смогли сохранить положительную операционную маржу, несмотря на падение доходов на 50% из-за инноваций и снижения затрат. В конце 2011 года заводские цены на фотоэлектрические модули из кристаллического кремния внезапно упали ниже отметки $ 1,00 / Вт, что застало многих в отрасли врасплох, и привело к банкротству ряда компаний-производителей солнечных батарей по всему миру. Стоимость $ 1,00 / Вт часто рассматривается в фотоэлектрической индустрии как знак достижения паритета энергосистемы для фотоэлектрических систем , но большинство экспертов не считают, что такая цена является приемлемой. Технологический прогресс, совершенствование производственных процессов и реструктуризация отрасли могут означать, что возможно дальнейшее снижение цен. Средняя розничная цена солнечных элементов, отслеживаемая группой Solarbuzz, упала с 3,50 доллара за ватт до 2,43 доллара за ватт в течение 2011 года. В 2013 году оптовые цены упали до 0,74 доллара за ватт. Это было приведено в качестве доказательства, подтверждающего «закон Свонсона », наблюдение, подобное известному закону Мура , который утверждает, что цены на солнечные элементы падают на 20% при каждом удвоении производственных мощностей отрасли. Институт Фраунгофера определяет «скорость обучения» как падение цен при удвоении совокупного производства, примерно на 25% в период с 1980 по 2010 год. Хотя цены на модули быстро упали, текущие цены на инверторы упали гораздо медленнее, и 2019 г. составляют более 61% стоимости кВт / п по сравнению с кварталом начала 2000-х годов.

Обратите внимание, что цены, упомянутые выше, относятся к «голым» модулям. Другой способ взглянуть на цены модулей - включить затраты на установку. В США, по данным Ассоциации производителей солнечной энергии, цена установленных на крыше фотоэлектрических модулей для домовладельцев упала с 9,00 долларов США за Вт в 2006 году до 5,46 долларов США за Вт в 2011 году. С учетом цен, уплачиваемых промышленными установками, национальная цена за установленную мощность снизилась до 3,45 долларов США. / Вт. Это заметно выше, чем где-либо в мире: в Германии стоимость установки домовладельцев на крышах в среднем составляет 2,24 доллара за Вт. Считается, что разница в стоимости в первую очередь связана с более высоким нормативным бременем и отсутствием национальной политики в области солнечной энергии в США.

К концу 2012 года у китайских производителей себестоимость самых дешевых модулей составляла $ 0,50 / Вт. На некоторых рынках дистрибьюторы этих модулей могут заработать значительную прибыль, покупая по заводской цене и продавая по самой высокой цене, которую рынок может поддерживать («ценообразование на основе стоимости»).

В Калифорнии фотоэлектрическая энергия достигла паритета энергосистемы в 2011 году, который обычно определяется как затраты на производство фотоэлектрической энергии на уровне розничных цен на электроэнергию или ниже (хотя часто все еще выше цен на электростанции на угольную или газовую генерацию без учета затрат на распределение и других затрат). В 2014 году сетевой паритет был достигнут на 19 рынках.

Приведенная стоимость электроэнергии

Levelised стоимость электроэнергии (LCOE) является стоимость за киловатт - час на основе затрат , распределенных по жизни проекта, и считается лучшим показателем для расчета жизнеспособности , чем цена на мощность. LCOE сильно различаются в зависимости от местоположения. LCOE можно считать минимальной ценой, которую потребители должны будут заплатить коммунальной компании, чтобы она окупила инвестиции в новую электростанцию. Паритет энергосистемы примерно достигается, когда LCOE падает до цены, аналогичной цене обычных местных сетевых цен, хотя на самом деле расчеты нельзя напрямую сопоставить. Крупные промышленные фотоэлектрические установки достигли паритета энергосистемы в Калифорнии в 2011 году. В то время считалось, что до паритета энергосистемы для крышных систем еще далеко. Многие расчеты LCOE не считаются точными, поэтому требуется много допущений. Цены на модули могут упасть и дальше, и LCOE для солнечной энергии соответственно может упасть в будущем.

Поскольку потребности в энергии растут и падают в течение дня, а солнечная энергия ограничена тем фактом, что солнце садится, компании, работающие с солнечной энергией, должны также учитывать дополнительные затраты на обеспечение более стабильных альтернативных источников энергии в сеть, чтобы стабилизировать систему или каким-то образом накапливать энергию (современные аккумуляторные технологии не могут хранить достаточно энергии). Эти затраты не учитываются в расчетах LCOE, равно как и специальные субсидии или премии, которые могут сделать покупку солнечной энергии более привлекательной. Ненадежность и временные колебания в выработке солнечной и ветровой энергии являются серьезной проблемой. Слишком большое количество этих непостоянных источников питания может вызвать нестабильность всей сети.

По состоянию на 2017 год цены на солнечные фермы по соглашению о закупке электроэнергии ниже 0,05 доллара США за киловатт-час являются обычными в Соединенных Штатах, а самые низкие цены в некоторых странах Персидского залива составляли около 0,03 доллара за киловатт-час. Целью Министерства энергетики США является достижение нормированной стоимости энергии для солнечных фотоэлектрических систем в размере 0,03 доллара США / кВтч для коммунальных предприятий.

Субсидии и финансирование

Финансовые стимулы для фотогальваники , такие как зеленые тарифы (FIT), часто предлагаются потребителям электроэнергии для установки и эксплуатации систем солнечной генерации, и в некоторых странах такие субсидии являются единственным способом, с помощью которого фотогальваника может оставаться экономически прибыльной. В Германии субсидии FIT обычно примерно на 0,13 евро выше обычной розничной цены кВтч (0,05 евро). ФЭ ЦФ сыграли решающую роль в становлении отрасли и по состоянию на 2011 год доступны потребителям более чем в 50 странах. Германия и Испания были наиболее важными странами в плане предложения субсидий для ФЭ, и политика этих стран стимулировала спрос в прошлое. Некоторые американские компании-производители солнечных элементов неоднократно жаловались, что снижение цен на фотоэлектрические модули было достигнуто благодаря субсидиям правительства Китая и демпингу этих продуктов по ценам ниже справедливых рыночных. Производители США обычно рекомендуют высокие тарифы на зарубежные поставки, чтобы они оставались прибыльными. В ответ на эти опасения администрация Обамы начала взимать пошлины с потребителей этой продукции в США в 2012 году, чтобы поднять цены для отечественных производителей. При администрации Трампа правительство США ввело дополнительные тарифы для потребителей США, чтобы ограничить торговлю солнечными модулями. Однако США также субсидируют отрасль, предлагая потребителям 30% федерального налогового кредита на покупку модулей. На Гавайях федеральные субсидии и субсидии штата сокращают до двух третей затрат на установку.

Некоторые защитники окружающей среды продвигают идею о том, что следует использовать государственные стимулы, чтобы расширить промышленность по производству фотоэлектрических элементов, чтобы значительно быстрее снизить затраты на электроэнергию, генерируемую фотоэлектрическими батареями, до уровня, при котором она сможет конкурировать с ископаемым топливом на свободном рынке. Это основано на теории, согласно которой, когда производственные мощности удваиваются, эффект масштаба приведет к снижению цен на солнечную продукцию вдвое.

Во многих странах отсутствует доступ к капиталу для разработки фотоэлектрических проектов. Чтобы решить эту проблему, была предложена секьюритизация , чтобы ускорить развитие солнечных фотоэлектрических проектов. Например, SolarCity предложила в 2013 году первую в США систему безопасности, обеспеченную активами, в солнечной отрасли.

Другой

Фотоэлектрическая энергия также вырабатывается в течение дня, близкого к пиковому спросу (предшествующего ему) в электроэнергетических системах с интенсивным использованием кондиционирования воздуха. Поскольку крупномасштабная работа фотоэлектрических систем требует поддержки в виде вращающихся резервов, их предельные затраты на производство электроэнергии в середине дня обычно самые низкие, но не равны нулю, когда фотоэлектрические системы вырабатывают электроэнергию. Это можно увидеть на Рисунке 1 этой статьи: В случае жилой недвижимости с частными фотоэлектрическими установками, подключенными к сети, владелец может иметь возможность заработать дополнительные деньги, если будет учтено время генерации, поскольку электричество днем ​​дороже, чем ночью.

В 2012 году один журналист предположил, что если бы счета за электроэнергию американцев были увеличены за счет введения дополнительного налога в размере 50 долларов за тонну на выбросы углекислого газа от угольных электростанций, это могло бы позволить солнечным фотоэлектрическим элементам казаться более конкурентоспособными по стоимости для потребителей в большинстве стран. локации.

Рост

Мировой рост фотоэлектрических элементов на полулогарифмических участках с 1992 г.

Солнечная фотоэлектрическая энергия составила самый большой объем исследований среди семи видов устойчивой энергии, рассмотренных в глобальном библиометрическом исследовании, при этом ежегодный объем научных исследований вырос с 9094 публикаций в 2011 году до 14 447 публикаций в 2019 году.

Аналогичным образом, применение солнечной фотоэлектрической энергии быстро растет, и мировая установленная мощность достигла примерно 515 гигаватт (ГВт) к 2018 году. Общая мощность фотоэлектрических мощностей в мире за календарный год в настоящее время превышает 500 ТВтч электроэнергии. Это составляет 2% мирового спроса на электроэнергию. Более 100 стран используют солнечные фотоэлектрические системы. За Китаем следуют США и Япония , а количество установок в Германии , которая когда-то была крупнейшим производителем в мире, замедляется.

Гондурас вырабатывал самый высокий процент своей энергии за счет солнечной энергии в 2019 году - 14,8%. По состоянию на 2019 год у Вьетнама самая высокая установленная мощность в Юго-Восточной Азии - около 4,5 ГВт. Среднегодовая скорость установки около 90 Вт на душу населения в год ставит Вьетнам в число мировых лидеров. Щедрый льготный тариф (FIT) и политика поддержки правительства, такая как налоговые льготы, стали ключом к буму солнечной энергии во Вьетнаме. К основным движущим факторам относятся стремление правительства повысить самообеспеченность энергией и потребность общества в качестве местной окружающей среды.

Ключевым препятствием является ограниченная пропускная способность передающей сети.

Согласно данным Международного энергетического агентства, Китай обладает самой большой в мире мощностью солнечной энергии: 253 ГВт установленной мощности на конец 2020 года по сравнению с примерно 151 ГВт в Европейском союзе. ( https://www.reuters.com/business/energy/china-add-55-65-gw-solar-power-capacity-2021-industry-body-2021-07-22/ )

Топ-10 фотоэлектрических стран в 2019 году (МВт)
Установленная и общая мощность солнечной энергии в 2019 г. (МВт)
# Нация Общая емкость Добавленная емкость
1 Китай Китай 204 700 30 100
2 Соединенные Штаты Соединенные Штаты 75 900 13 300
3 Япония Япония 63 000 7 000
4 Германия Германия 49 200 3 900
5 Индия Индия 42 800 9 900
6 Италия Италия 20 800 600
7 Австралия Австралия 15 928 3 700
8 Объединенное Королевство Объединенное Королевство 13 300 233
9 Южная Корея Южная Корея 11 200 3 100
10 Франция Франция 9 900 900

Данные: Отчет IEA-PVPS Snapshot of Global PV Markets 2020 , апрель 2020 г. Также см. Раздел Солнечная энергия по странам для получения полного и постоянно обновляемого списка.

В 2017 году считалось вероятным, что к 2030 году глобальные установленные мощности фотоэлектрических систем могут составить от 3000 до 10 000 ГВт. Гринпис в 2010 году утверждал, что 1845 ГВт фотоэлектрических систем по всему миру могут вырабатывать примерно 2646 ТВтч электроэнергии в год к 2030 году, а к 2050 году более 20% всей электроэнергии можно будет производить за счет фотоэлектрических систем.

Приложения

Фотоэлектрические системы

Фотоэлектрическая система или солнечная фотоэлектрическая система - это система питания, предназначенная для подачи полезной солнечной энергии с помощью фотоэлектрических элементов. Он состоит из нескольких компонентов, включая солнечные панели для поглощения и прямого преобразования солнечного света в электричество, солнечный инвертор для изменения электрического тока с постоянного на переменный, а также монтаж, кабели и другие электрические аксессуары. Фотоэлектрические системы варьируются от небольших, устанавливаемых на крыше или встраиваемых в здание систем мощностью от нескольких единиц до нескольких десятков киловатт до крупных электростанций мощностью в сотни мегаватт . В настоящее время большинство фотоэлектрических систем подключены к сети , в то время как автономные системы составляют лишь небольшую часть рынка.

  • Интегрированные системы крыш и зданий
ФЭ на крыше фахверкового дома
Фотоэлектрические батареи часто ассоциируются со зданиями: они либо встроены в них, либо установлены на них, либо установлены поблизости на земле. Крышные фотоэлектрические системы чаще всего модернизируются в существующих зданиях, обычно устанавливаются поверх существующей конструкции крыши или на существующих стенах. В качестве альтернативы массив может быть расположен отдельно от здания, но подключен кабелем для подачи питания в здание. Интегрированные в здание фотоэлектрические элементы (BIPV) все чаще встраиваются в крышу или стены новых жилых и промышленных зданий в качестве основного или вспомогательного источника электроэнергии. Иногда также используется кровельная черепица со встроенными фотоэлементами. При наличии открытого зазора, в котором может циркулировать воздух, солнечные панели, установленные на крыше, могут обеспечивать пассивное охлаждение зданий в течение дня, а также удерживать накопленное тепло в ночное время. Как правило, кровельные системы для жилых помещений имеют небольшую мощность - около 5–10 кВт, в то время как коммерческие системы на крышах часто составляют несколько сотен киловатт. Хотя системы на крыше намного меньше, чем наземные электростанции общего назначения, на них приходится большая часть установленной мощности во всем мире.
  • Фотоэлектрический тепловой гибридный солнечный коллектор
Фотоэлектрические тепловые гибридные солнечные коллекторы (PVT) - это системы, которые преобразуют солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию. Эти системы объединяют фотоэлектрический элемент, преобразующий солнечный свет в электричество, с солнечным тепловым коллектором , который улавливает оставшуюся энергию и отводит отработанное тепло из фотоэлектрического модуля. Улавливание как электричества, так и тепла позволяет этим устройствам иметь более высокую эксергию и, таким образом, быть более энергоэффективными в целом, чем солнечные фотоэлектрические или только солнечные тепловые системы.
  • Электростанции
Спутниковый снимок солнечной фермы Топаз
Во всем мире построено много солнечных ферм для коммунальных предприятий . В 2011 году 579 мегаватт (МВт AC ) Solar Star был предложен проект, который последует Sunlight Desert Solar Farm и Topaz Solar Farm в будущем, и с мощностью 550 МВт переменного тока , который будет построен американской компанией- First Solar , использующая модули CdTe , тонкопленочную фотоэлектрическую технологию. Все три электростанции будут расположены в калифорнийской пустыне. Когда в 2015 году был завершен проект Solar Star, это была крупнейшая в то время фотоэлектрическая электростанция .
  • Агривольтаика
По всему миру был создан ряд экспериментальных солнечных ферм, которые пытаются объединить производство солнечной энергии с сельским хозяйством . Итальянский производитель продвигает дизайн, который отслеживает ежедневный путь солнца по небу, чтобы вырабатывать больше электроэнергии, чем обычные стационарные системы.
  • Электрификация сельской местности
Развивающиеся страны, где многие деревни часто находятся на расстоянии более пяти километров от электросети, все чаще используют фотоэлектрические системы. В отдаленных районах Индии программа сельского освещения предусматривает использование светодиодного освещения на солнечных батареях вместо керосиновых ламп. Лампы на солнечных батареях продавались примерно по цене керосина, запасенного на несколько месяцев. Куба работает над тем, чтобы обеспечить солнечной энергией районы, не подключенные к электросети. Более сложные применения внесетевого использования солнечной энергии включают в себя 3D-принтеры . 3D-принтеры RepRap питаются от солнечной энергии с помощью фотоэлектрической технологии, которая обеспечивает распределенное производство для устойчивого развития . Это области, в которых социальные издержки и выгоды являются отличным аргументом в пользу перехода на солнечную энергию, хотя из-за отсутствия рентабельности такие усилия были отнесены к гуманитарным усилиям. Однако в 1995 году было обнаружено, что проекты электрификации сельских районов с использованием солнечной энергии трудно поддерживать из-за неблагоприятной экономической ситуации, отсутствия технической поддержки и унаследованных скрытых мотивов передачи технологий с севера на юг.
  • Автономные системы
Примерно десять лет назад фотоэлектрические панели часто использовались для питания калькуляторов и новых устройств. Усовершенствования в интегральных схемах и жидкокристаллических дисплеях с низким энергопотреблением позволяют питать такие устройства в течение нескольких лет между заменами батарей, что делает использование фотоэлектрических элементов менее распространенным. Напротив, удаленные стационарные устройства, работающие на солнечной энергии, в последнее время все чаще используются в местах, где значительная стоимость подключения делает энергосистему непомерно дорогой. К таким приложениям относятся солнечные лампы , водяные насосы, паркоматы , телефоны аварийной службы , уплотнители мусора , временные дорожные знаки, зарядные станции, а также удаленные посты охраны и сигналы.
  • В транспорте
Фотоэлектрические панели традиционно использовались для производства электроэнергии в космосе. Фотоэлектрические системы редко используются для обеспечения движущей силы в транспортных средствах, но они могут обеспечивать вспомогательную энергию на лодках и автомобилях. Некоторые автомобили оснащены кондиционерами на солнечных батареях. Автономный солнечный автомобиль будет иметь ограниченную мощность и полезность, но электромобиль, заряжаемый от солнечной энергии, позволяет использовать солнечную энергию для транспортировки. Были продемонстрированы автомобили, лодки и самолеты на солнечных батареях, наиболее практичными и вероятными из которых являются автомобили на солнечных батареях . Швейцарский солнечный самолет , Solar Impulse 2 , достиг длинный беспосадочный рейс в сольной истории и завершила первый на солнечных батареях антенный кругосветное земного шара в 2016 году.
  • Телекоммуникации и сигнализация
Солнечная фотоэлектрическая энергия идеально подходит для телекоммуникационных приложений, таких как местная телефонная станция, радио- и телевещание, микроволновая печь и другие формы электронных коммуникационных каналов. Это связано с тем, что в большинстве телекоммуникационных приложений аккумуляторные батареи уже используются, а электрическая система в основном работает на постоянном токе. В холмистой и гористой местности радио- и телевизионные сигналы могут не доходить, поскольку они блокируются или отражаются обратно из-за холмистой местности. В этих местах установлены маломощные передатчики (LPT) для приема и ретрансляции сигнала местному населению.
  • Применение космических аппаратов
Часть солнечной батареи Юноны
Солнечные панели на космических кораблях обычно являются единственным источником энергии для работы датчиков, активного нагрева и охлаждения и связи. Батарея хранит эту энергию для использования, когда солнечные панели находятся в тени. В некоторых эта энергия также используется для приведения в движение космического корабля - электрическая тяга . Космические аппараты были одним из первых применений фотоэлектрической энергии, начиная с кремниевых солнечных элементов, используемых на спутнике Vanguard 1 , запущенном США в 1958 году. С тех пор солнечная энергия использовалась в различных миссиях, от зонда MESSENGER до Меркурия и так далее. далеко в Солнечной системе в качестве зонда Юноны к Юпитеру. Самая большая солнечная энергетическая система, летающая в космосе, - это электрическая система Международной космической станции . Чтобы увеличить мощность, вырабатываемую на килограмм, в типичных солнечных панелях космических кораблей используются дорогие, высокоэффективные и плотно упакованные прямоугольные многопереходные солнечные элементы, изготовленные из арсенида галлия (GaAs) и других полупроводниковых материалов.
  • Специальные энергосистемы
Фотоэлектрические элементы могут также использоваться в качестве устройств преобразования энергии для объектов с повышенными температурами и с предпочтительными коэффициентами излучения, такими как гетерогенные камеры сгорания .
  • Внутренняя фотогальваника (IPV)
Внутренние фотоэлектрические элементы могут обеспечивать питание Интернета вещей , например интеллектуальных датчиков и устройств связи, обеспечивая решение таких ограничений батареи , как энергопотребление, токсичность и техническое обслуживание. Окружающее внутреннее освещение, такое как светодиоды и люминесцентные лампы , излучает достаточно излучения для питания небольших электронных устройств или устройств с низким энергопотреблением. В этих приложениях внутренние фотоэлектрические устройства смогут повысить надежность и продлить срок службы беспроводных сетей , что особенно важно с учетом значительного количества беспроводных датчиков, которые будут установлены в ближайшие годы.
Из - за отсутствия доступа к солнечной радиации , то интенсивность энергии собирали в помещении фотовольтаики, как правило , на три порядка меньше , чем солнечный свет, который будет влиять на эффективность фотоэлементов. Оптимальная ширина запрещенной зоны для сбора света в помещении составляет около 1,9–2 эВ по сравнению с оптимальным значением 1,4 эВ для сбора света на открытом воздухе. Увеличение оптимальной ширины запрещенной зоны также приводит к увеличению напряжения холостого хода (VOC) , что также влияет на эффективность. Кремниевые фотоэлементы, наиболее распространенный тип фотоэлементов на рынке, могут достигать эффективности только около 8% при использовании окружающего освещения в помещении по сравнению с их эффективностью 26% при солнечном свете. Одна из возможных альтернатив - использовать аморфный кремний, a-Si , поскольку он имеет более широкую запрещенную зону 1,6 эВ по сравнению с его кристаллическим аналогом, что делает его более подходящим для захвата спектров света внутри помещений.
Другие перспективные материалы и технологии для внутренней фотоэлектрической энергии включают тонкопленочные материалы , сборщики света III-V, органические фотоэлектрические элементы (OPV) и солнечные элементы из перовскита .
  • Тонкопленочные материалы, в частности CdTe , показали хорошие характеристики в условиях низкой освещенности и рассеянного света с шириной запрещенной зоны 1,5 эВ.
  • Некоторые элементы III-V с одним переходом имеют ширину запрещенной зоны в диапазоне от 1,8 до 1,9 эВ, которые, как было показано, поддерживают хорошие характеристики при внутреннем освещении с эффективностью более 20%.
  • Существуют различные органические фотоэлектрические системы, которые продемонстрировали эффективность более 16% от внутреннего освещения, несмотря на низкую эффективность сбора энергии под солнечным светом. Это связано с тем, что OPV имеют большой коэффициент поглощения, регулируемые диапазоны поглощения, а также небольшие токи утечки в тусклом свете, что позволяет им преобразовывать внутреннее освещение более эффективно по сравнению с неорганическими PV.
  • Солнечные элементы из перовскита были протестированы на эффективность более 25% при слабом освещении. В то время как солнечные элементы из перовскита часто содержат свинец, что вызывает опасения по поводу токсичности, материалы, созданные на основе перовскита, также являются многообещающими в качестве фотоэлектрических элементов для помещений. Несмотря на то, что на перовскитных ячейках проводится множество исследований, необходимы дальнейшие исследования для изучения его возможностей для IPV и разработки продуктов, которые можно использовать для обеспечения Интернета вещей.

Фото датчики

Фотодатчики являются датчиками из света или другого электромагнитного излучения . Фотодетектор имеет p – n переход, который преобразует световые фотоны в ток. Поглощенные фотоны образуют электронно-дырочные пары в обедненной области . Фотодиоды и фототранзисторы - несколько примеров фотодетекторов. Солнечные элементы преобразуют часть поглощенной световой энергии в электрическую.

Экспериментальная технология

Ряд солнечных модулей также может быть установлен вертикально друг над другом в башне, если зенитное расстояние Солнца больше нуля, и башня может быть повернута горизонтально в целом и каждый модуль дополнительно вокруг горизонтальной оси. В такой башне модули могут точно следовать за Солнцем. Такое устройство можно описать как лестницу, установленную на поворотном диске. Каждая ступенька этой лестницы является средней осью прямоугольной солнечной панели. В случае, если зенитное расстояние Солнца достигает нуля, «лестницу» можно повернуть на север или юг, чтобы солнечный модуль не создавал тени на нижнем. Вместо точно вертикальной башни можно выбрать башню с осью, направленной к полярной звезде , то есть параллельной оси вращения Земли . В этом случае угол между осью и Солнцем всегда больше 66 градусов. В течение дня необходимо только повернуть панели вокруг этой оси, чтобы следовать за Солнцем. Установки могут быть смонтированы на земле (а иногда и интегрированы с земледелием и выпасом) или встроены в крышу или стены здания ( фотоэлектрические элементы, встроенные в здание ).

Эффективность

Лучшая эффективность исследовательских ячеек

На сегодняшний день наиболее эффективным типом солнечных элементов является многопереходный концентраторный солнечный элемент с эффективностью 46,0%, произведенный Fraunhofer ISE в декабре 2014 года. Наивысшие показатели эффективности, достигнутые без концентрации, включают материал Sharp Corporation на 35,8% с использованием запатентованного тройного элемента. -технология изготовления стыков в 2009 г. и Boeing Spectrolab (40,7% также используют трехслойную конструкцию).

Постоянно прилагаются усилия для повышения эффективности преобразования фотоэлементов и модулей, в первую очередь для получения конкурентного преимущества. Чтобы повысить эффективность солнечных элементов, важно выбрать полупроводниковый материал с соответствующей шириной запрещенной зоны, которая соответствует солнечному спектру. Это улучшит электрические и оптические свойства. Улучшение метода сбора платежей также полезно для повышения эффективности. В разработке находится несколько групп материалов. В устройствах сверхвысокого КПД (η> 30%) используются полупроводники GaAs и GaInP2 с многопереходными тандемными ячейками. Высококачественные монокристаллические кремниевые материалы используются для создания высокоэффективных и недорогих ячеек (η> 20%).

Последние разработки в области органических фотоэлектрических элементов (OPV) позволили значительно повысить эффективность преобразования энергии с 3% до более 15% с момента их появления в 1980-х годах. На сегодняшний день самый высокий зарегистрированный КПД преобразования энергии колеблется от 6,7% до 8,94% для малых молекул, 8,4–10,6% для полимерных OPV и от 7% до 21% для перовскитных OPV. Ожидается, что OPV будут играть важную роль на рынке фотоэлектрических систем. Недавние усовершенствования повысили эффективность и снизили стоимость, оставаясь при этом экологически безвредными и возобновляемыми.

Несколько компаний начали встраивать оптимизаторы мощности в фотоэлектрические модули, называемые интеллектуальными модулями . Эти модули выполняют отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) для каждого модуля в отдельности, измеряют данные о производительности для мониторинга и предоставляют дополнительные функции безопасности. Такие модули также могут компенсировать эффекты затенения, когда тень, падающая на секцию модуля, вызывает уменьшение электрического выхода одной или нескольких цепочек ячеек в модуле.

Одна из основных причин снижения производительности ячеек - перегрев. Эффективность солнечного элемента снижается примерно на 0,5% на каждый 1 градус Цельсия повышения температуры. Это означает, что повышение температуры поверхности на 100 градусов может снизить эффективность солнечного элемента примерно наполовину. Самоохлаждающиеся солнечные элементы - одно из решений этой проблемы. Вместо того, чтобы использовать энергию для охлаждения поверхности, пирамиды и конусы могут быть сформированы из кремнезема и прикреплены к поверхности солнечной панели. Это позволяет видимому свету достигать солнечных элементов , но отражает инфракрасные лучи (которые переносят тепло).

Преимущества

122  ПВт солнечного света, достигающего поверхности Земли, очень много - почти в 10 000 раз больше, чем 13 ТВт эквивалента средней энергии, потребляемой людьми в 2005 году. Такое изобилие наводит на мысль, что в ближайшее время солнечная энергия станет основным источником энергии в мире. Кроме того, солнечная генерация электроэнергии имеет самую высокую плотность мощности (среднемировое значение 170 Вт / м 2 ) среди возобновляемых источников энергии.

Солнечная энергия не загрязняет окружающую среду во время использования, что позволяет сократить загрязнение, когда она заменяется другими источниками энергии. Например, по оценкам Массачусетского технологического института , 52 000 человек в год преждевременно умирают в США из-за загрязнения на угольных электростанциях, и всех этих смертей, кроме одной, можно избежать, если использовать фотоэлектрическую энергию вместо угля. Конечные отходы производства и выбросы можно регулировать с помощью существующих средств контроля загрязнения. Технологии вторичной переработки отходов находятся в стадии разработки, и разрабатываются стратегии, поощряющие вторичную переработку со стороны производителей.

В идеале фотоэлектрические установки могут работать в течение 100 лет или даже дольше с минимальным обслуживанием или вмешательством после их первоначальной настройки, поэтому после первоначальных капитальных затрат на строительство любой солнечной электростанции эксплуатационные расходы будут чрезвычайно низкими по сравнению с существующими энергетическими технологиями.

Подключенную к сети солнечную электроэнергию можно использовать на местном уровне, что снижает потери при передаче / распределении (потери при передаче в США составляли примерно 7,2% в 1995 г.).

По сравнению с ископаемыми и ядерными источниками энергии, очень мало денег на исследования было вложено в разработку солнечных элементов, поэтому есть значительные возможности для улучшения. Тем не менее, экспериментальные солнечные элементы с высоким КПД уже имеют КПД более 40% в случае концентрирования фотоэлектрических элементов, и эффективность быстро растет, в то время как затраты на массовое производство быстро падают.

В некоторых штатах США большая часть инвестиций в систему, устанавливаемую на дому, может быть потеряна, если домовладелец переезжает и покупатель оценивает систему меньше, чем продавец. Город Беркли разработал инновационный метод финансирования, чтобы снять это ограничение, добавив налоговую оценку, которая передается вместе с домом для оплаты солнечных панелей. Это решение, известное теперь как PACE , «Чистая энергия с оценкой собственности», в 30 штатах США продублировали.

Есть свидетельства, по крайней мере, в Калифорнии, что наличие установленной дома солнечной системы может действительно повысить стоимость дома. Согласно статье, опубликованной в апреле 2011 года Национальной лабораторией Эрнеста Орландо Лоуренса в Беркли под названием «Анализ влияния фотоэлектрических систем в жилых домах на цены продажи жилья в Калифорнии»:

Исследование обнаружило убедительные доказательства того, что дома с фотоэлектрическими системами в Калифорнии продавались дороже, чем аналогичные дома без фотоэлектрических систем. В частности, оценки средней надбавки за фотоэлектрические компоненты варьируются от примерно 3,9 до 6,4 долларов за установленный ватт (DC) среди большого количества различных спецификаций моделей, при этом стоимость большинства моделей составляет около 5,5 долларов за ватт. Это значение соответствует надбавке примерно в 17 000 долларов за относительно новую фотоэлектрическую систему на 3100 ватт (средний размер фотоэлектрических систем в исследовании).

Недостатки

  • Загрязнение и энергия в производстве

Фотоэлектрические системы были хорошо известным методом производства чистой электроэнергии без выбросов. Фотоэлектрические системы часто состоят из фотоэлектрических модулей и инвертора (меняющего постоянный ток на переменный). Фотоэлектрические модули в основном изготавливаются из фотоэлементов, которые принципиально не отличаются от материала, из которого изготавливаются компьютерные микросхемы. Процесс производства фотоэлементов является энергоемким и включает очень ядовитые и экологически токсичные химические вещества. В мире есть несколько заводов по производству фотоэлектрических модулей, которые производят фотоэлектрические модули с энергией, производимой из фотоэлектрических элементов. Эта противодействующая мера значительно снижает углеродный след процесса производства фотоэлементов. Управление химическими веществами, используемыми и производимыми в процессе производства, регулируется местными законами и постановлениями предприятий.

  • Воздействие на электрическую сеть
Сети с высоким уровнем проникновения возобновляемых источников энергии обычно нуждаются в более гибкой генерации, чем в генерации базовой нагрузки.

Для солнечных фотоэлектрических систем, устанавливаемых на крыше, поток энергии становится двусторонним. Когда местной генерации больше, чем потребления, электроэнергия экспортируется в сеть, что позволяет проводить чистые измерения . Однако электрические сети традиционно не предназначены для двусторонней передачи энергии, что может вызвать технические проблемы. Проблема перенапряжения может возникнуть, когда электричество будет перетекать из этих фотоэлектрических домов обратно в сеть. Существуют решения для управления проблемой перенапряжения, такие как регулирование коэффициента мощности фотоэлектрического инвертора, новое оборудование для контроля напряжения и энергии на уровне распределителя электроэнергии, перенаправление электрических проводов, управление со стороны спроса и т. Д. Часто существуют ограничения и связанные с расходами к этим решениям.

Высокая выработка в середине дня снижает чистый спрос на выработку электроэнергии, но более высокий пиковый чистый спрос по мере захода солнца может потребовать быстрого наращивания мощности генерирующих станций, создавая профиль нагрузки, называемый кривой утки .

  • Последствия для управления счетами за электроэнергию и инвестиций в энергию

Не существует серебряной пули в отношении электроэнергии или спроса на электроэнергию и управления счетами, потому что клиенты (объекты) имеют разные конкретные ситуации, например, разные потребности в комфорте / удобстве, разные тарифы на электроэнергию или разные модели использования. Тариф на электроэнергию может включать несколько элементов, таких как ежедневная плата за доступ и учет, плата за электроэнергию (на основе кВтч, МВтч) или плата за пиковое потребление (например, цена за максимальное 30-минутное потребление энергии в месяц). Фотоэлектрические системы являются многообещающим вариантом для снижения платы за электроэнергию, когда цены на электроэнергию достаточно высоки и постоянно растут, например, в Австралии и Германии. Однако для участков с платой за пиковое потребление фотоэлектрическая энергия может быть менее привлекательной, если пиковые потребности в основном происходят с позднего вечера до раннего вечера, например, в жилых районах. В целом, инвестиции в энергетику - это в значительной степени экономическое решение, и лучше принимать инвестиционные решения на основе систематической оценки вариантов улучшения работы, энергоэффективности, производства на месте и хранения энергии.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение