Фотогальваника

редактировать
Метод преобразования солнечного излучения в электричество

Solar Settlement, проект устойчивого жилищного строительства в Фрайбург, Германия. Photovoltaic SUDI shade - это автономная мобильная станция во Франции, которая обеспечивает энергией электромобили с использованием солнечной энергии. Солнечные панели на Международной космической станции

Фотоэлектрические системы (PV) представляет собой преобразование света в электричество с использованием полупроводниковых материалов, которые проявляют фотоэлектрический эффект, явление, изучаемое в физике, фотохимии, и электрохимия.

фотоэлектрическая панель стала самым дешевым источником электроэнергии в регионах с высоким солнечным потенциалом, с ценовыми предложениями всего 0,01567 доллара США / кВтч в 2020 году. Цены на панели упали в 10 раз за десятилетие. Эта конкурентоспособность открывает путь к глобальному переходу к устойчивой энергетике, которая потребуется для смягчения последствий глобального потепления. Бюджет выбросов для CO. 2 для достижения цели на 1,5 градуса будет использован в 2028 году, если выбросы останутся на текущем уровне. Однако использование фотоэлектрических модулей в качестве основного источника требует систем накопления энергии или глобального распределения по высоковольтным линиям постоянного тока, вызывая дополнительные расходы.

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

Солнечные фотоэлектрические панели обладают определенными преимуществами в качестве источника энергии: после установки их работа не вызывает загрязнения окружающей среды и выбросов парниковых газов, они демонстрируют простую масштабируемость в отношении потребностей в энергии, а кремний имеет большую доступность в земной коре.

Фотоэлектрические системы давно используются в специализированных приложениях как автономные установки, а фотоэлектрические системы, подключенные к сети, используются с 1990-х годов. Фотоэлектрические модули были впервые произведены серийно в 2000 году, когда немецкие экологи и организация Eurosolar получили государственное финансирование для программы «Десять тысяч крыш».

В любом случае прогресс в технологии и увеличение масштабов производства имели снизили стоимость, повысили надежность и повысили эффективность фотоэлектрических установок. Чистые измерения и финансовые стимулы, такие как льготные зеленые тарифы на электроэнергию, вырабатываемую солнечными батареями, поддержали солнечную Фотоэлектрические установки во многих странах. Более 100 стран теперь используют солнечные фотоэлементы.

После гидро и ветровой энергии, фотоэлектрическая энергия является третьим возобновляемым источником энергии с точки зрения глобальной мощности. Международное энергетическое агентство ожидает роста на 700-880 ГВт с 2019 по 2024 год. Согласно прогнозу, фотоэлектрическая энергия может стать технологией с самой большой установленной мощностью к середине 2020-х годов.

В 2019 году установленная во всем мире фотоэлектрическая мощность увеличилась до более чем 635 гигаватт (ГВт), покрывая примерно два процента мирового спроса на электроэнергию .

В 2020 году крыша фотоэлектрическая система возмещает энергию, необходимую для их производства, за 1,28 года в Оттаве, Канада, 0,97 года в Катании, Италия и 0,4 года в Джайпуре, Индия.

Содержание

  • 1 Этимология
  • 2 Солнечные элементы
  • 3 Текущие разработки
    • 3.1 Эффективность
    • 3.2 Рост
    • 3.3 Воздействие фотоэлектрических технологий на окружающую среду
  • 4 Экономика
  • 5 Производство
  • 6 Области применения
    • 6.1 Фотоэлектрические системы
  • 7 Преимущества
  • 8 Ограничения
  • 9 См. Также
  • 10 Ссылки
  • 11 Дополнительная литература

Этимология

Термин «фотоэлектрический» происходит от греческого φῶς (phōs), что означает «свет», и от «вольт»., единица электродвижущей силы, вольт, которая, в свою очередь, происходит от фамилии итальянского Physici st Алессандро Вольта, изобретатель батареи (электрохимический элемент ). Термин «фотоэлектрические» используется в английском языке с 1849 года.

Солнечные элементы

Солнечные элементы генерируют электричество непосредственно из солнечного света.Фотоэлектрическая энергия потенциальная карта Потенциал фотоэлектрической энергии карта оценивает, сколько кВтч электроэнергии можно произвести 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. Карта опубликована Всемирным банком и предоставлена ​​компанией Solargis.

Фотогальваника наиболее известна как метод производства электроэнергии с использованием солнечных элементов для преобразования солнечной энергии в поток электронов за счет фотоэлектрического эффекта.

Солнечные элементы производят электричество постоянного тока из солнечного света, которое можно использовать для питания оборудования или подзарядки батареи. Первым практическим применением фотогальваники было приведение в действие орбитальных спутников и других космических аппаратов, но сегодня большинство фотоэлектрических модулей используются для подключенных к сети систем для выработки электроэнергии.. В этом случае требуется инвертор для преобразования постоянного тока в переменного тока. По-прежнему существует меньший рынок автономных систем для удаленных жилищ, лодок, транспортных средств для отдыха, электромобилей, придорожных аварийных телефонов, дистанционного зондирования и катодная защита трубопроводов.

В производстве фотоэлектрической энергии используются солнечные модули, состоящие из ряда солнечных элементов, содержащих полупроводниковый материал. Медные солнечные кабели соединяют модули (кабель модуля), массивы (кабель массива) и подобласти. В связи с растущим спросом на возобновляемые источники энергии, производство солнечных элементов и фотоэлектрических батарей значительно продвинулось в последние годы.

Производство солнечной фотоэлектрической энергии давно стало рассматривается как технология экологически чистой энергии, использующая самый многочисленный и широко распространенный возобновляемый источник энергии на планете - солнце. 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 » (ватт пиковая ). Фактическая выходная мощность в конкретном месте может быть меньше или больше этого номинального значения, в зависимости от географического положения, времени суток, погодных условий и других факторов. Солнечные фотоэлектрические батареи коэффициенты мощности обычно ниже 25%, что ниже, чем у многих других промышленных источников электроэнергии.

Текущие разработки

Наземные фотоэлектрические системы стремятся к лучшей производительности чтобы максимально увеличить время, проведенное лицом к солнцу. Солнечные трекеры достигают этого, перемещая фотоэлектрические модули, следуя за солнцем. Увеличение может составить до 20% зимой и до 50% летом. 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 устройствами, температуры выше комнатной снижают производительность фотоэлектрических модулей.

Некоторые солнечные модули также могут быть установлены 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 на юг, чтобы солнечный модуль не создавал тени на нижнем. Вместо точно вертикальной башни можно выбрать башню с осью, направленной к полярной звезде, то есть она параллельна оси вращения Земли. В этом случае угол между осью и Солнцем всегда больше 66 градусов. В течение дня нужно только повернуть панели вокруг этой оси, чтобы следовать за Солнцем. Установки могут быть смонтированы на земле (и иногда интегрированы с сельским хозяйством и выпасом) или встроены в крышу или стены здания (интегрированные в здание фотоэлектрические элементы ).

Другая недавняя разработка связана с материальным содержанием солнечных элементов. Лаборатории университетов в Оксфорде, Стэнфорде и других странах экспериментируют с заменой кристаллического кремния в фотоэлектрических солнечных элементах на перовскит, минерал с полупроводниковыми свойствами. Исследователи в этих лабораториях быстро достигли эффективности ячеек 20-25%, что соответствует или превышает эффективность кремниевых солнечных элементов.

Эффективность

Наилучшая эффективность исследовательских элементов

Электрический КПД фотоэлементов равен физическое свойство, которое представляет, сколько электроэнергии может произвести элемент при заданном солнечном излучении. Основное выражение для максимальной эффективности фотоэлектрического элемента дается отношением выходной мощности к падающей солнечной энергии (поток излучения, умноженный на площадь)

η = P m a x E ⋅ A c e l l. {\ displaystyle \ eta = {\ frac {P_ {max}} {E \ cdot A_ {cell}}}.}{\ displaystyle \ eta = {\ frac {P_ {max}} {E \ cdot A_ {cell}}}.}

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

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 концентрирования, включают материал Sharp Corporation на 35,8% с использованием запатентованной технологии производства тройных соединений в 2009 году и Boeing Spectrolab (40,7% также с использованием трехслойной конструкции). Базирующийся в США специализированный производитель фотоэлектрических элементов арсенида галлия (GaAs) Alta Devices производит коммерческие элементы с эффективностью 26%, утверждая, что имеет «самый эффективный в мире солнечный» однопереходный элемент, предназначенный для гибкости и легкие приложения. Что касается кремниевых солнечных элементов, то американская компания SunPower остается лидером с сертифицированной эффективностью 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 REC Group (эффективность 21,7%).

Существует постоянные усилия по увеличению эффективности преобразования фотоэлементов и модулей, в первую очередь для достижения 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. Разрабатываются 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%).

Недавние 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 улучшения повысили эффективность и снизили стоимость, оставаясь при этом экологически безвредными и возобновляемыми.

Перовскитные элементы также быстро развиваются (по состоянию на 2019 год), при этом максимальная эффективность увеличилась с 13% до 23,7% для нестабилизированных элементов и до 28% для тандемных монолитных элементов перовскит / Si в период с 2012 по 2018 год.

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 снижение электрического выхода одной или нескольких цепочек ячеек в модуле.

Одна из основных причин уменьшения работоспособность ячеек перегревается. 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 использования энергии для охлаждения поверхности пирамиды и конусы могут быть сформированы из диоксида кремния и прикреплены к поверхности солнечной панели. Это позволяет видимому свету достигать солнечных элементов, но отражает инфракрасные лучи (которые переносят тепло).

Рост

Мировой рост фотоэлектрической энергии на полулогарифмическом графике с 1992 года

Солнечная фотоэлектрическая энергия быстро растет, и установленная мощность во всем мире достигла примерно 515 гигаватт (ГВт) к 2018 году. Общая мощность фотоэлектрических мощностей в мире за календарный год составляет сейчас более 500 ТВтч электроэнергии. Это составляет 2% мирового спроса на электроэнергию. Более 100 стран используют солнечные фотоэлектрические системы. За Китаем следуют США и Япония, а установки в Германии, когда-то крупнейшего в мире производителя, замедлились.

В 2017 году исследование, проведенное в Science, показало, что к 2030 году глобальные установленные мощности фотоэлектрических систем составят от 3000 до 10 000 ГВт. Сценарий изменения парадигмы солнечной генерации EPIA / Greenpeace (ранее называвшийся расширенным сценарием) от 2010 года показывает, что к 2030 году 1845 ГВт фотоэлектрических систем могут вырабатывать примерно 2646 ТВтч электроэнергии в год во всем мире. В сочетании с повышением эффективности использования энергии это обеспечит потребности в электроэнергии более 9% населения мира. К 2050 году более 20% всей электроэнергии можно будет обеспечивать за счет фотоэлектрических элементов.

Майкл Либрейх из Bloomberg New Energy Finance прогнозирует переломный момент для солнечной энергии. Стоимость энергии ветра и солнца в некоторых частях мира уже ниже, чем у обычного производства электроэнергии, поскольку они резко упали и будут продолжать расти. Он также утверждает, что электрическая сеть во всем мире значительно расширилась и готова принимать и распределять электроэнергию из возобновляемых источников. Кроме того, мировые цены на электроэнергию оказались под сильным давлением со стороны возобновляемых источников энергии, которые отчасти были с энтузиазмом приняты потребителями.

Deutsche Bank ожидает «вторую золотую лихорадку» для фотоэлектрической промышленности. Сетевой паритет уже достигнут по крайней мере на 19 рынках к январю 2014 года. Фотоэлектрические элементы будут преобладать за пределами зеленых тарифов, становясь более конкурентоспособными по мере расширения развертывания и дальнейшего падения цен.

В июне 2014 года Barclays понизили рейтинг облигаций американских коммунальных компаний. Barclays ожидает усиления конкуренции за счет роста собственного потребления из-за комбинации децентрализованных фотоэлектрических систем и бытовых накопителей электроэнергии. Это может коренным образом изменить бизнес-модель коммунального предприятия и трансформировать систему в течение следующих десяти лет, поскольку прогнозируется снижение цен на эти системы.

В 2019 году лидирует Китай с установленной мощностью 205 ГВт. Второй - Европейский Союз с 132 ГВт. Второй штат - США с 76 ГВт. На третьем месте Япония с 63 ГВт. 10-е место занимает Франция с 10 ГВт. Установленная мощность быстро увеличивается за 4 года. Лидером по фотоэлектрической части всей электроэнергетической системы является Гондурас с 14,8%.

По состоянию на 2019 год Вьетнам имеет самую высокую установленную 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.

Драйверы и препятствия для роста

Щедрый льготный тариф (FIT) и поддерживающая политика, такая как налоговые льготы, оказываются ключевыми непосредственные драйверы бума солнечных фотоэлектрических систем во Вьетнаме. К основным движущим факторам относятся желание правительства повысить самообеспеченность энергией и потребность общества в качестве окружающей среды.

Ключевым препятствием является ограниченная пропускная способность сети электропередачи.

Топ-10 фотоэлектрических стран в 2019 году (МВт)
Установленная и общая мощность солнечной энергии в 2019 г. (МВт)
#СтранаОбщая мощностьДобавленная мощность
1Китай Китай 204,70030,100
2Соединенные Штаты США 75,90013,300
3Япония Япония 63,0007,000
4Германия Германия 49,2003,900
5Индия Индия 42,8009,900
6Италия Италия 20,800600
7Австралия Австралия 15,9283700
8Великобритания Соединенное Королевство 13,300233
9Южная Корея Южная Корея 11,2003,100
10Франция Франция 9,900900

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

Воздействие фотоэлектрических технологий на окружающую среду

Типы импа cts

Хотя солнечные фотоэлектрические (ФЭ) элементы перспективны для производства чистой энергии, их развертыванию препятствуют производственные затраты, доступность материалов и токсичность. Данные, необходимые для изучения их воздействия, иногда подвержены довольно большой неопределенности. Например, значения человеческого труда и потребления воды не оцениваются точно из-за отсутствия систематических и точных анализов в научной литературе.

Оценка жизненного цикла (LCA) - один из методов определения воздействия на окружающую среду от PV. Было проведено множество исследований различных типов фотоэлектрических модулей, включая первое поколение, второе поколение и третье поколение. Обычно в этих исследованиях PV LCA выбирается от люльки до границы системы, потому что часто во время проведения исследований это новая технология, еще не имеющая коммерческого доступа, и требуемый для нее баланс компонентов системы и методы утилизации неизвестны.

Традиционная LCA может рассматривать множество различных категорий воздействия, начиная от потенциала глобального потепления, экотоксичности, токсичности для человека, истощения запасов воды и многих других.

Большинство LCA фотоэлектрических систем сосредоточено на двух категориях: эквиваленты углекислого газа на кВтч и время окупаемости энергии (EPBT). EPBT определяется как «время, необходимое для компенсации всей возобновляемой и невозобновляемой первичной энергии, необходимой в течение жизненного цикла фотоэлектрической системы». Обзор EPBT от фотоэлектрических модулей первого и второго поколения в 2015 году показал, что было больше изменений во встроенной энергии, чем в эффективности ячеек, подразумевая, что в основном встроенная энергия должна быть уменьшена, чтобы иметь большее снижение EPBT. Одна из трудностей при определении воздействий, вызванных ФЭ, состоит в том, чтобы определить, выбрасываются ли отходы в воздух, воду или почву на этапе производства. В настоящее время проводятся исследования, чтобы попытаться понять выбросы и выбросы в течение срока службы фотоэлектрических систем.

Воздействие фотоэлектрических модулей первого поколения

Кристаллические кремниевые модули являются наиболее изученным типом фотоэлектрических модулей с точки зрения LCA, поскольку они являются чаще всего используется. Монокристаллический кремний. 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. Диапазон от колыбели до затвора CO 2 -экв / кВтч составляет от 37,3 до 72,2 граммов.

Способы производства фотоэлектрических элементов с поликристаллическим кремнием (multi-si) они проще и дешевле, чем моно-си, однако, как правило, производят менее эффективные элементы, в среднем на 13,2%. EPBT составляет от 1,5 до 2,6 лет. Уровень CO 2 -экв / кВтч колеблется от 28,5 до 69 граммов. Некоторые исследования выходили за рамки EPBT и GWP на другие воздействия на окружающую среду. В одном из таких исследований традиционная структура энергоснабжения в Греции сравнивалась с многослойной фотоэлектрической системой и показала 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 снижения потребления материалов и энергии во время производства. Сегодня доля CdTe на мировом рынке составляет 5,4% по сравнению с 4,7% в 2008 году. 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 грамм (от колыбели до ворот). CdTe имеет самый быстрый EPBT из всех коммерческих фотоэлектрических технологий, который варьируется от 0,3 до 1,2 года.

Диселенид меди, индия, галлия (CIGS) - это тонкопленочный солнечный элемент на основе семейства халькопирита диселенида меди и индия (CIS). полупроводники. 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, произведенной для различных солнечного облучения (от 1700 до 2200 кВтч / м / год) и КПД преобразования энергии (7,8 - 9,12%). EPBT колеблется от 0,2 до 1,4 года, тогда 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.

Воздействие от третьего поколения

ФЭ третьего поколения объединяет преимущества устройств первого и второго поколения, и они не имеют предела Шокли-Кайссера, теоретического предела для первого и второго поколения. фотоэлементы второго поколения. Толщина устройства третьего поколения составляет менее 1 мкм.

Одна из появляющихся альтернативных и многообещающих технологий основана на органически-неорганическом гибридном солнечном элементе, изготовленном из перовскитов галогенида метиламмония и свинца. Перовскитные фотоэлектрические элементы быстро развились за последние несколько лет и стали одной из самых привлекательных областей для исследований 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 поглотителя (CH 3NH3PbIxBr 3 -x, CH 3NH3PbIxCl 3 -x или CH 3NH3PbI 3), слой переноса электронов (TiO, ZnO, Al 2O3или 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 экологическую проблему представляет свинец, используемый в абсорбирующем слое. Из-за нестабильности перовскитных ячеек свинец может со временем попадать в пресную воду на этапе использования. Эти исследования LCA изучали человеческую и экотоксичность перовскитных солнечных элементов и обнаружили, что они были на удивление низкими и, возможно, не были проблемой для окружающей среды. Потенциал глобального потепления перовскитных фотоэлектрических модулей находился в диапазоне 24–1500 граммов CO 2 -экв. / КВт · ч производства электроэнергии. Точно так же заявленный 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.

Две новые многообещающие тонкопленочные технологии: сульфид меди, цинка и олова (Cu 2 ZnSnS 4 или CZTS), фосфид цинка (Zn 3P2) и одностенные углеродные нанотрубки (SWCNT). Эти тонкие пленки в настоящее время производятся только в лаборатории, но в будущем могут быть коммерциализированы. Ожидается, что процессы производства CZTS и (Zn 3P2) будут аналогичны технологиям производства тонких пленок CIGS и CdTe, соответственно. А абсорбирующий слой из SWCNT PV предполагается синтезировать методом CoMoCAT. by Вопреки общепринятым тонким пленкам, таким как CIGS и CdTe, CZTS, Zn 3P2и SWCNT, фотоэлектрические элементы сделаны из обильных на земле нетоксичных материалов и могут производить больше электроэнергии в год, чем текущее мировое потребление. Хотя CZTS и Zn 3P2являются многообещающими по этим причинам, конкретные экологические последствия их коммерческого производства еще не известны. Потенциал глобального потепления для CZTS и Zn 3P2был обнаружен в 38 и 30 граммах CO 2 -экв / кВтч, в то время как их соответствующие EPBT составили 1,85 и 0,78 года соответственно. В целом CdTe и Zn 3P2оказывают схожее воздействие на окружающую среду, но могут немного превзойти CIGS и CZTS. Celik et al. провела первое исследование LCA воздействия на окружающую среду ФЭ из SWCNT, включая лабораторное устройство с эффективностью 1% и четырехэлементное тандемное устройство с эффективностью 28%, и интерпретировала результаты, используя моно-Si в качестве ориентира. Результаты показывают, что по сравнению с монокристаллическим Si (моно-Si), воздействие на окружающую среду от 1% ОСУНТ было в ~ 18 раз выше, в основном из-за короткого срока службы в три года. Однако даже при таком же коротком сроке службы 28% -ный элемент оказывал меньшее воздействие на окружающую среду, чем моно-Si.

Органические и полимерные фотоэлектрические (OPV) - относительно новая область исследований. Слои традиционной структуры ячейки 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, превышающую 10%.

Существует множество различных конфигураций OPV 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 0,29–0,52 года на 1 м² фотоэлектрической панели. Среднее значение CO 2 -экв / кВтч для OPV составляет 54,922 грамма.

Экономика

Источник: Apricus

Произошли серьезные изменения в основных затратах, отраслевой структуре и рынке цены на солнечные фотоэлектрические технологии на протяжении многих лет 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 размещается фотоэлектрическая энергия ». Дальнейшие сложности возникают из-за множества различных инициатив по поддержке политики, которые были предприняты для облегчения коммерциализации фотоэлектрической энергии в разных странах.

В фотоэлектрической отрасли произошло резкое падение цен на модули с 2008 года. В конце 2011 года, factory-gate Цены на фотоэлектрические модули на основе кристаллического кремния упали ниже отметки 1,00 долл. / Вт. Стоимость установки $ 1,00 / Вт часто рассматривается в фотоэлектрической индустрии как достижение паритета сети для фотоэлектрических систем. Технологический прогресс, совершенствование производственных процессов и реструктуризация отрасли означают, что в ближайшие годы вероятно дальнейшее снижение цен. По состоянию на 2017 год цены по соглашению о покупке электроэнергии для солнечных электростанций ниже 0,05 доллара США / кВт · ч являются обычными в США, а самые низкие ставки в нескольких международных странах составляли около 0,03 доллара США / кВт · ч.

Финансовые стимулы для фотоэлектрических систем, например Зеленые тарифы часто предлагались потребителям электроэнергии для установки и эксплуатации солнечных электростанций. Правительство иногда также предлагало стимулы, чтобы побудить фотоэлектрическую промышленность к достижению экономии на масштабе, необходимой для конкуренции там, где стоимость электроэнергии, произведенной фотоэлектрической системой, превышает стоимость существующей сети. Такая политика осуществляется для продвижения национальной или территориальной энергетической независимости, высоких технологий создания рабочих мест и сокращения выбросов углекислого газа, вызывающих изменение климата. Из-за эффекта масштаба солнечные панели становятся менее дорогостоящими по мере того, как люди используют и покупают больше - поскольку производители увеличивают производство для удовлетворения спроса, ожидается, что в ближайшие годы стоимость и цена снизятся.

КПД солнечных элементов варьируется от 6% для солнечных элементов на основе аморфного кремния до 44,0% для многопереходных концентрированных фотоэлектрических элементов. Эффективность преобразования энергии солнечных элементов в коммерчески доступных фотоэлектрических элементах составляет около 14–22%. Концентрированные фотоэлектрические элементы (CPV) могут снизить стоимость за счет концентрации до 1000 солнечных лучей (через увеличительную линзу) на фотоэлектрических элементах меньшего размера. Однако такая концентрированная солнечная энергия требует сложной конструкции радиатора, в противном случае фотоэлектрический элемент перегревается, что снижает его эффективность и срок службы. Чтобы еще больше усугубить конструкцию концентрированного охлаждения, радиатор должен быть пассивным, иначе мощность, необходимая для активного охлаждения, снизит общую эффективность и экономичность.

Цены на солнечные элементы из кристаллического кремния упали с 76,67 долларов за ватт в 1977 году до примерно 0,74 доллара за ватт в 2013 году. Это рассматривается как свидетельство, подтверждающее закон Свансона, наблюдение, подобное известному Закон Мура, который гласит, что цены на солнечные элементы падают на 20% при каждом удвоении производственных мощностей в отрасли.

По данным на 2011 год, цены на фотоэлектрические модули упали на 60% с лета 2008 года. по оценкам Bloomberg New Energy Finance, впервые ставит солнечную энергию наравне с розничной ценой на электроэнергию в ряде солнечных стран; также была опубликована альтернативная и последовательная цифра снижения цен на 75% с 2007 по 2012 год, хотя неясно, относятся ли эти цифры к США или в целом к ​​глобальному масштабу. приведенная стоимость электроэнергии (LCOE ) от фотоэлектрической энергии конкурентоспособна с традиционными источниками электроэнергии в расширяющемся списке географических регионов, особенно когда включается время выработки, поскольку электроэнергия стоит дороже днем, чем ночью. В цепочке поставок наблюдалась жесткая конкуренция, и впереди ожидаются дальнейшие улучшения нормированной стоимости энергии для солнечной энергии, что создает растущую угрозу доминированию источников производства ископаемого топлива в следующие несколько лет. Со временем технологии использования возобновляемых источников энергии, как правило, дешевеют, а ископаемое топливо, как правило, становится дороже:

Чем меньше затраты на солнечную энергию, тем лучше она по сравнению с традиционной энергией и тем более привлекательной становится для коммунальных предприятий и потребителей энергии во всем мире. глобус. Солнечная энергия для коммунальных предприятий теперь может поставляться в Калифорнию по ценам значительно ниже 100 долларов за МВтч (0,10 доллара за кВтч), чем у большинства других пиковых генераторов, даже тех, которые работают на дешевом природном газе. Более низкая стоимость солнечных модулей также стимулирует спрос на потребительских рынках, где стоимость солнечной энергии очень выгодна по сравнению с розничными тарифами на электроэнергию.

Цена за ватт История обычных (c-Si ) солнечных элементов с 1977 года.

По состоянию на 2011 год стоимость фотоэлектрической энергии упала намного ниже стоимости ядерной энергетики и будет продолжать падать. 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.

Для крупномасштабных установок цены ниже 1,00 доллара за ватт. Цена модуля в размере 0,60 евро / ватт (0,78 доллара США / ватт) была опубликована для крупномасштабной пятилетней сделки в апреле 2012 года.

К концу 2012 года цена «лучшего в своем классе» модуля упала до 0,50 доллара США за ватт., и ожидалось, что к 2017 году они упадут до $ 0,36 / ватт.

Во многих местах фотоэлектрическая энергия достигла паритета сети, который обычно определяется как затраты на производство фотоэлектрических элементов на уровне розничных цен на электроэнергию или ниже (хотя часто они все еще превышают станционные цены на угольную или газовую генерацию без их распределения и других затрат). Однако во многих странах все еще существует потребность в большем доступе к капиталу для развития фотоэлектрических проектов. Для решения этой проблемы была предложена секьюритизация, которая была использована для ускорения развития солнечных фотоэлектрических проектов. Например, SolarCity предложил первую в США систему безопасности в солнечной отрасли в 2013 году.

Фотоэлектрическая энергия также вырабатывается в близкое время суток. к пиковому спросу (предшествующему ему) в электроэнергетических системах с высоким использованием кондиционирования воздуха. Поскольку для крупномасштабных фотоэлектрических операций требуется поддержка в виде вращающихся резервов, предельные затраты на производство электроэнергии в середине дня обычно самые низкие, но не равны нулю, когда фотоэлектрические системы вырабатывают электричество. Это можно увидеть на Рисунке 1 этой статьи: В более общем плане сейчас очевидно, что при цене на углерод в 50 долларов за тонну, что повысит цену угольной энергии на 5 центов / кВт · ч, солнечные фотоэлектрические панели будут конкурентоспособными по стоимости в большинстве мест. Снижение цены на фотоэлектрические системы отразилось на быстрорастущих установках, которые составили около 23 ГВт в 2011 году. Хотя в 2012 году возможна некоторая консолидация, из-за сокращения поддержки на крупных рынках Германии и Италии, сильный рост, вероятно, продолжится для остальных. десятилетия. Уже, по одной оценке, общий объем инвестиций в возобновляемые источники энергии в 2011 году превысили инвестиции в производство электроэнергии на основе углерода.

В случае собственного потребления срок окупаемости рассчитывается исходя из того, сколько электроэнергии не доставлено из сети. Кроме того, использование фотоэлектрической солнечной энергии для зарядки батарей постоянного тока, которые используются в подключаемых к электросети гибридных электромобилях и электромобилях, приводит к большей эффективности. Традиционно электроэнергию постоянного тока, генерируемую солнечными фотоэлектрическими батареями, необходимо преобразовывать в переменный ток для зданий, при этом в среднем потери при преобразовании составляют 10%. Дополнительная потеря эффективности происходит при переходе обратно на постоянный ток для устройств и транспортных средств с батарейным питанием, и с использованием различных процентных ставок и изменений цен на энергию были рассчитаны текущие значения в диапазоне от 2057 до 8213 долларов (анализ за 2009 год).

Например, в Германии при ценах на электроэнергию 0,25 евро / кВтч и Изоляция 900 кВтч / кВт один кВт p сэкономит 225 евро в год, а при стоимости установки 1700 евро / кВт p означает, что система может окупиться менее чем за 7 лет (пример для 2013 года).

Производство

В целом производственный процесс создания солнечных фотоэлектрических элементов прост в использовании. что он не требует завершения 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, так как затраты снижаются с увеличением мощности.

Хотя известно много типов фотоэлектрических систем. Чтобы быть эффективными, фотоэлектрические системы из кристаллического кремния в 2013 году составляли около 90% мирового производства фотоэлектрических систем. Производство кремниевых фотоэлектрических систем включает несколько этапов. Сначала поликремний обрабатывается из добытого кварца до очень чистой (полупроводниковой) марки. Он расплавляется при добавлении небольших количеств бора, элемента III группы, чтобы сделать полупроводник p-типа, богатый электронными дырками. Обычно слиток этого раствора выращивают из жидкого поликристалла, используя затравочный кристалл. Слиток также может быть отлит в изложнице. 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 добавлено антибликовое покрытие вместе с электрическими контактами. После завершения сборки элементы подключаются через электрическую цепь в соответствии с конкретным применением и подготавливаются к отправке и установке.

Фотоэлектрические элементы на кристаллическом кремнии - это только один из типов фотоэлектрических элементов, и хотя они представляют собой большинство солнечных элементов, производимых в настоящее время есть много 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, поликристаллические, моно-PERC и двусторонние.

Другая более новая технология, тонкопленочные фотоэлектрические элементы, производятся путем осаждения полупроводниковых слоев. на подложке в вакууме. Подложка часто представляет собой стекло или нержавеющую сталь, и эти полупроводниковые слои состоят 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 цепью с помощью лазерного скрайбирования. Тонкопленочные фотоэлектрические элементы в настоящее время составляют около 20% от общего объема производства фотоэлектрических модулей из-за меньших требований к материалам и стоимости изготовления модулей, состоящих из тонких пленок, по сравнению с кремниевыми пластинами.

Другие развивающиеся фотоэлектрические технологии. включают органические, сенсибилизированные красителями, квантовые точки и фотоэлектрические элементы на основе перовскита. ОПВ 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 являются относительно реактивными, их необходимо инкапсулировать, 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 пластмассы, используемые в элементе. Солнечные элементы с квантовыми точками представляют собой сенсибилизированные квантовыми точками DSSC и обрабатываются решениями, что означает, что они потенциально масштабируемы, но в настоящее время их эффективность достигает 12%. Перовскитные солнечные элементы являются очень эффективным преобразователем солнечной энергии и обладают отличными оптоэлектрическими свойствами для фотоэлектрических целей, но они дороги и сложны в производстве.

Области применения

Фотоэлектрические системы

A 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. Фотовольтаические системы варьируются от небольших устанавливаемых на крыше или интегрированных в здание систем с мощностью от нескольких до нескольких десятков киловатт до крупных коммунальных электростанции сотнями мегаватт. В настоящее время большинство фотоэлектрических систем подключено к сети, в то время как автономные системы составляют лишь небольшую часть рынка.

  • Интегрированные системы крыш и зданий
ФЭ на крышах фахверковых домов
Фотоэлектрические массивы часто ассоциируются со зданиями: либо встроены в них, либо установлены на них, либо установлены рядом на земле. Крышные фотоэлектрические системы чаще всего модернизируются в существующих зданиях, обычно монтируются поверх существующей конструкции крыши или на существующих стенах. В качестве альтернативы массив может быть расположен отдельно от здания, но подключен кабелем для подачи питания на здание. Интегрированные в здания фотоэлектрические элементы (BIPV) все чаще встраиваются в крыши или стены новых жилых и промышленных зданий в качестве основного или вспомогательного источника электроэнергии. Иногда также используется 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 ночью. Обычно системы крышных жилых домов имеют небольшую мощность - около 5–10 кВт, в то время как коммерческие системы крышных домов часто составляют несколько сотен киловатт. Хотя системы на крыше намного меньше, чем наземные электростанции, они составляют большую часть установленной мощности во всем мире.
  • Фотогальваника концентратора
Фотогальваника концентратора (CPV) - это фотоэлектрическая технология, которая противоречит традиционным плоские фотоэлектрические системы используют линзы и изогнутые зеркала для фокусировки солнечного света на небольшие, но высокоэффективные многопереходные (МДж) солнечные элементы. Кроме того, системы CPV часто используют солнечные трекеры, а иногда и систему охлаждения для дальнейшего повышения их эффективности. Текущие исследования и разработки стремительно повышают их конкурентоспособность в сегменте коммунальных услуг и в областях с высокой солнечной инсоляцией.
  • Фотоэлектрический тепловой гибридный солнечный коллектор
Фотоэлектрический тепловой гибридный солнечный коллектор (PVT) - это системы, которые преобразовывать 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, следовательно, быть более энергоэффективными в целом, чем солнечные фотоэлектрические или только солнечные тепловые.
  • Электростанции
Спутниковое изображение Солнечная ферма «Топаз»
Многие солнечные фермы коммунального масштаба построены по всему миру. По состоянию на 2015 год 579-мегаваттная (МВт AC) Solar Star является крупнейшей в мире фотоэлектрической электростанцией, за ней следуют солнечная ферма Desert Sunlight и Солнечная ферма Topaz, обе мощностью 550 МВт AC, построенные американской компанией First Solar с использованием модулей CdTe, a тонкопленочная фотоэлектрическая технология. Все три электростанции расположены в калифорнийской пустыне. Многие солнечные фермы по всему миру интегрированы с сельским хозяйством, а некоторые используют инновационные системы слежения за солнцем, которые следуют за ежедневным путем солнца по небу для выработки большего количества электроэнергии. чем обычные стационарные системы. Отсутствуют затраты на топливо или выбросы во время работы электростанций.
  • Электрификация сельских районов
Развивающиеся страны, где многие деревни часто находятся на расстоянии более пяти километров от электросети, все чаще используют фотогальваника. В отдаленных районах Индии в рамках программы освещения в сельской местности предусматривается светодиодное освещение на солнечных батареях. заменить керосиновые лампы. 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 3D-принтеры. RepRap 3D-принтеры питаются от солнечной энергии с использованием фотоэлектрической технологии, что позволяет распределенному производству за устойчивое развитие. Это области, в которых социальные издержки и выгоды являются отличным аргументом в пользу перехода на солнечную энергию, хотя из-за отсутствия рентабельности такие усилия сводятся к гуманитарным усилиям. Однако в 1995 году было обнаружено, что проекты солнечной электрификации сельских районов 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 вычислителей и новых устройств. Усовершенствования в интегральных схемах и маломощные жидкокристаллические дисплеи 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 из-за значительной стоимости подключения электроэнергия в сети становится непомерно дорогой. К таким приложениям относятся солнечные лампы, водяные насосы, паркоматы, телефоны экстренной помощи, уплотнители мусора, временные дорожные знаки, зарядные станции и удаленные посты охраны и сигналы.
  • Плавающая солнечная энергия
Там, где земля может быть ограничена, фотоэлектрические панели могут быть развернуты как плавающие солнечные батареи. В мае 2008 года на винодельне Far Niente в Оквилле, штат Калифорния, была создана первая в мире «поплавковая вольтаическая» система, установив 994 фотоэлектрических солнечных панели на 130 понтонов и разместив их на ирригационном пруду винодельни. Плавающая система генерирует около 477 кВт пиковой мощности и в сочетании с рядом ячеек, расположенных рядом с прудом, способна полностью компенсировать потребление электроэнергии винодельней. Основное преимущество плавучей системы состоит в том, что она позволяет избежать необходимости жертвовать ценной земельной площадью, которую можно было бы использовать для других целей. В случае с винодельней Far Niente плавучая система сэкономила три четверти акра, которые потребовались бы для наземной системы. Вместо этого эту землю можно использовать для сельского хозяйства. Еще одно преимущество плавающей солнечной системы состоит 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.
  • На транспорте
Solar Impulse 2 солнечный самолет
традиционно использовался для электрических власть в космосе. Фотоэлектрические системы редко используются для обеспечения движущей силы в транспортных средствах, но все чаще используются для обеспечения вспомогательной энергии на лодках и автомобилях. Некоторые автомобили оснащены кондиционерами на солнечных батареях для ограничения температуры в салоне в жаркие дни. Автономное солнечное транспортное средство будет иметь ограниченную мощность и полезность, но заряжаемое от солнечной энергии электромобиль 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, совершил самый длительный беспосадочный одиночный полет в истории и совершил первое кругосветное плавание на солнечной энергии земного шара в 2016 году.
  • Телекоммуникации и сигнализация
Солнечная фотоэлектрическая энергия идеально подходит для таких телекоммуникационных приложений, 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 телесигналы могут не доходить, поскольку они блокируются или отражаются обратно из-за холмистой местности. В этих местах установлены передатчики малой мощности (LPT) для приема и ретрансляции сигнала местному населению.
  • Применение космических кораблей
Часть солнечной батареи Juno
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 случаях энергия также используется для силовой установки космического корабля - электрической тяги. 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, начиная с 116>ПОСЛАННИК зонд к Меркурию, так далеко в Солнечной системе, как зонд Юнона к Юпитеру. Самая крупная солнечная энергосистема, 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 другие полупроводниковые материалы.
  • Specialty Power Systems
Фотоэлектрические системы могут также использоваться в качестве устройств преобразования энергии для объектов с повышенными температурами и с предпочтительной излучательной способностью, например, гетерогенные камеры сгорания.

Преимущества

122 PW солнечного света, достигающего поверхности Земли, очень много - почти в 10 000 раз больше, чем 13 ТВт эквивалента средней энергии, потребляемой людьми в 2005 году. Это 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) среди возобновляемых источников энергии.

Солнечная энергия не загрязняет окружающую среду во время использования, что позволяет сократить загрязнение окружающей среды при ее замене. для других источников энергии. Например, Массачусетский технологический институт подсчитал, что 52 000 человек в год умирают преждевременно в США из-за загрязнения на угольных электростанциях, и всех этих смертей, кроме одной, можно избежать, если использовать фотоэлектрическую энергию для замены угля. Конечные отходы производства и выбросы можно регулировать с помощью существующих средств контроля загрязнения. Технологии вторичной переработки отходов находятся в стадии разработки, и разрабатываются политики, поощряющие вторичную переработку со стороны производителей.

В идеале фотоэлектрические установки могли бы работать в течение 100 лет или даже больше с минимальным обслуживанием или вмешательством после их первоначальной настройки, Таким образом, после первоначальных капитальных затрат на строительство любой солнечной электростанции эксплуатационные расходы чрезвычайно низки по сравнению с существующими энергетическими технологиями.

Подключенную к сети солнечную электроэнергию можно использовать локально, 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 в разработку солнечных элементов было вложено мало денег на исследования, поэтому есть возможности для улучшения. Тем не менее, экспериментальные солнечные элементы с высоким КПД уже имеют КПД более 40% в случае концентрации фотоэлектрических элементов, и эффективность быстро растет, а затраты на массовое производство быстро падают.

В некоторых странах В Соединенных Штатах большая часть инвестиций в систему, устанавливаемую на дому, может быть потеряна, если домовладелец переедет и покупатель придаст системе меньшую ценность, чем продавец. Город Беркли разработал инновационный метод финансирования, чтобы снять это ограничение, добавив налоговую оценку, которая передается вместе с домом для оплаты солнечных батарей. Теперь известное как PACE, Чистая энергия с оценкой собственности, 30 штатов США продублировали это решение.

Есть доказательства, по крайней мере, в Калифорнии, что наличие установленной дома солнечной системы может фактически увеличивают 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 обнаруживает убедительные доказательства того, что дома с фотоэлектрическими системами в Калифорнии имеют продается по более высокой цене, чем сопоставимые 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 17000 долларов за относительно новую фотоэлектрическую систему мощностью 3100 ватт (средний размер фотоэлектрических систем в исследовании).

Ограничения

  • Загрязнение и энергия в производстве

Фотоэлектрические системы были хорошо- известный способ 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 делают компьютерные чипы. 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 производственного процесса фотоэлементов. Управление химическими веществами, используемыми и производимыми в процессе производства, регулируется местными законами и постановлениями фабрики.

  • Воздействие на электрическую сеть

Для солнечных фотоэлектрических систем на крыше, устанавливаемых за счетчиком, поток энергии становится двусторонним. Когда местной выработки больше, чем потребления, электроэнергия экспортируется в сеть, что позволяет проводить нетто-учет. 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 генерация в середине дня снижает чистый спрос на генерацию, но более высокий пиковый чистый спрос по мере захода солнца может потребовать быстрого наращивания мощности генерирующих станций, создавая профиль нагрузки, называемый утиной кривой.

  • Последствия для управления счетами за электроэнергию и инвестиций в энергию

Не существует серебряной пули в управлении счетами и счетами на электроэнергию или энергию, потому что у клиентов (объектов) 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 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.

См. Также

Wikimedia Commons. СМИ, относящиеся к фотоэлектрической энергии.

ссылки

Дополнительная литература

Последняя правка сделана 2021-06-02 04:16:11
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте