Фотогальваника

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.

Солнечные батареи на Международной космической станции

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.

Фотоэлектрические системы стали самым дешевым источником электроэнергии в регионах с высоким потенциалом солнечной энергии, при этом цены на них в 2020 году составили всего 0,01567 долл. США / кВтч ^[1]. 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
2для достижения цели в 1,5 градуса будет израсходовано в 2028 году, если выбросы останутся на текущем уровне. Однако использование фотоэлектрических систем в качестве основного источника требует систем хранения энергии или глобального распределения по высоковольтным линиям электропередачи постоянного тока, что приводит к дополнительным расходам.

Солнечные фотоэлектрические системы имеют определенные преимущества 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. ^[2]

Фотоэлектрические системы уже давно используются в специализированных приложениях в качестве автономных установок, а фотоэлектрические системы , подключенные к сети , используются с 1990-х годов. ^[3] Фотоэлектрические модули были впервые произведены серийно в 2000 году, когда немецкие экологи и организация Eurosolar получили государственное финансирование для программы строительства десяти тысяч крыш. ^[4]

Развитие технологий и увеличение масштабов производства в любом случае снизили стоимость ^[5], повысили надежность и эффективность фотоэлектрических установок. ^{[3] [6]} Чистые измерения и финансовые стимулы, такие как льготные льготные тарифы на электроэнергию, вырабатываемую солнечными батареями, поддержали солнечные фотоэлектрические установки во многих странах. ^[7] Более 100 стран сейчас используют солнечные фотоэлектрические системы.

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 . ^[8] После гидроэнергетики и ветра фотоэлектрическая энергия является третьим возобновляемым источником энергии с точки зрения мировой мощности. Международное энергетическое агентство ожидает , что рост на 700 - 880 ГВт с 2019 по 2024 г. ^[9] Согласно прогнозу, PV может стать технология с самой большой установленной мощности к середине 2020 - х годов.

В 2020 году фотоэлектрическая система на крыше возмещает энергию, необходимую для ее производства, за 1,28 года в Оттаве , Канада , 0,97 года в Катании , Италия и 0,4 года в Джайпуре , Индия . ^[10]

Фотоэлектрическая энергия выросла как источник энергии, прежде всего, в результате технологического развития, обеспечивающего снижение затрат. ^[11]

Этимология [ править ]

Термин «фотоэлектрические» происходит от греческого φῶς ( phōs ), что означает «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 ^[12].

Солнечные батареи [ править ]

Фотогальваника наиболее известна как метод производства электроэнергии с использованием солнечных элементов для преобразования солнечной энергии в поток электронов с помощью фотогальванического эффекта . ^{[13] [14]}

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 . По-прежнему существует меньший рынок автономных систем для удаленных жилых домов, лодок , транспортных средств для отдыха , электромобилей , придорожных аварийных телефонов, дистанционного зондирования.И катодная защита от трубопроводов .

В производстве фотоэлектрической энергии используются солнечные модули, состоящие из нескольких солнечных элементов, содержащих полупроводниковый материал. ^[15] Медные солнечные кабели соединяют модули (кабель модуля), массивы (кабель массива) и подобласти. Из-за растущего спроса на возобновляемые источники энергии в последние годы значительно продвинулось производство солнечных элементов и фотоэлектрических батарей . ^{[16] [17] [18]}

Производство солнечной фотоэлектрической энергии долгое время считалось экологически чистой технологией, использующей 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 » ( пиковая мощность ). ^[19] 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. ^[20] Коэффициенты емкости солнечных фотоэлектрических батарей обычно ниже 25%, что ниже, чем у многих других промышленных источников электроэнергии. ^[21]

Текущие события [ править ]

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. Увеличение может достигать 20% зимой и до 50% летом ^{[ цитата необходима ]} . 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. ^[22]

Ряд солнечных модулей также может быть установлен вертикально друг над другими в башне, если зенитное расстояние от Солнца больше нуля, и башни можно повернуть по горизонтали 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 - средняя ось 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 на полярную звезду., что означает, что он параллелен 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 (и иногда интегрированы с сельским хозяйством и выпасом скота) ^[23] или встроены в крышу или стены здания ( фотоэлектрические элементы, встроенные в здание ).

Еще одна 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 перовскитом , минералом с полупроводниковыми свойствами. Исследователи в этих лабораториях быстро достигли эффективности ячеек 20-25%, что соответствует или превышает эффективность кремниевых солнечных элементов. ^[24]

Эффективность [ править ]

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).

${\displaystyle \eta ={\frac {P_{max}}{E\cdot A_{cell}}}.}$^[25]

Эффективность измеряется в идеальных лабораторных условиях и представляет собой максимально достижимую эффективность фотоэлемента или модуля. Фактическая эффективность зависит от температуры, освещенности и спектра. ^{[ необходима цитата ]}

Самым эффективным типом солнечных элементов на сегодняшний день является многопереходный концентраторный солнечный элемент с эффективностью 46,0% ^[26], произведенный Fraunhofer ISE в декабре 2014 года. Наивысшие показатели эффективности, достигнутые без концентрации, включают материал Sharp Corporation с 35,8% использования запатентованная технология производства тройных узлов в 2009 году ^[27] и Boeing Spectrolab (40,7% также используют трехслойную конструкцию). Американский производитель фотоэлектрических элементов из специального арсенида галлия (GaAs) Alta Devices производит коммерческие элементы с эффективностью 26% ^[28]утверждая, что у нее 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% ^{[29], что} значительно выше среднего рыночного уровня в 15–18%. Однако компании-конкуренты догоняют, например, южнокорейский конгломерат LG (эффективность 21,7% ^[30] ) или норвежская группа REC (эффективность 21,7%). ^[31]

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%) ^[32] 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. ^[33] На сегодняшний день самая высокая зарегистрированная эффективность 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. ^{[34] [35]} Ожидается, что ОПВ будут играть важную роль на рынке фотоэлектрических систем. Недавние усовершенствования повысили эффективность и снизили стоимость, оставаясь при этом экологически безвредными и возобновляемыми.

Перовскитные ячейки также быстро развиваются (по состоянию на 2019 год): 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, при которых тень, падающая на секцию модуля, вызывает уменьшение электрического выхода одной или нескольких цепочек ячеек в модуле. ^[36]

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). ^[37]

Рост [ править ]

Солнечные фотоэлектрические установки быстро развиваются, и к 2018 году установленная мощность во всем мире достигла примерно 515 гигаватт (ГВт). ^[38] 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. ^{[39] [40] За} Китаем следуют США и Япония , а количество установок в Германии , которая когда-то была крупнейшим производителем в мире, замедляется.

В 2017 году исследование, проведенное в Science, показало, что к 2030 году глобальные установленные мощности фотоэлектрических систем составят от 3000 до 10000 ГВт. ^[41] Сценарий изменения парадигмы солнечной генерации EPIA / Greenpeace (ранее называвшийся Advanced Scenario) 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 производить за счет фотоэлектрических элементов. ^[42]

Майкл Либрейх из Bloomberg New Energy Finance ожидает переломного момента для солнечной энергетики. Стоимость энергии ветра и солнца в некоторых частях мира уже ниже, чем у обычного производства электроэнергии, поскольку они резко упали и будут продолжать это делать. 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 находились под сильным давлением со стороны возобновляемых источников энергии, которые отчасти были с энтузиазмом приняты потребителями. ^[43]

Deutsche Bank ожидает «вторую золотую лихорадку» для фотоэлектрической отрасли. К январю 2014 года сетевой паритет уже был достигнут по крайней мере на 19 рынках. Фотоэлектрические элементы будут преобладать за пределами зеленых тарифов и станут более конкурентоспособными по мере увеличения развертывания и дальнейшего падения цен. ^[44]

В июне 2014 года Barclays понизил рейтинг облигаций коммунальных предприятий США. Barclays ожидает усиления конкуренции за счет роста собственного потребления из-за комбинации децентрализованных фотоэлектрических систем и бытовых хранилищ 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. ^[45]

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%. ^[46]

По состоянию на 2019 год у Вьетнама самая высокая установленная мощность в Юго-Восточной Азии - около 4,5 ГВт. ^[47] Среднегодовая скорость установки около 90 Вт на душу населения в год ставит Вьетнам в число мировых лидеров. ^[47]

Драйверы и препятствия для роста

Обнаружено, что щедрый льготный тариф (FIT) и поддерживающая политика, такая как налоговые льготы, являются основными непосредственными движущими силами бума в области солнечных панелей во Вьетнаме. К основным движущим факторам относятся стремление правительства повысить самообеспеченность энергией и потребность общества в качестве местной окружающей среды. ^[47]

Ключевым препятствием является ограниченная пропускная способность сети передачи. ^[47]

Воздействие фотоэлектрических технологий на окружающую среду [ править ]

Виды ударов

Хотя солнечные фотоэлектрические (ФЭ) элементы перспективны для производства чистой энергии, их развертыванию препятствуют производственные затраты, доступность материалов и токсичность. ^[49] 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. ^[2]

Оценка жизненного цикла (LCA) - это один из методов определения воздействия фотоэлектрических систем на окружающую среду. Было проведено множество исследований различных типов фотоэлектрических модулей, включая первое , второе и третье поколения . Обычно в этих исследованиях PV LCA выбирается граница системы от колыбели до затвора, потому что часто во время проведения исследований это новая технология, еще не коммерчески доступная, и требуемый для нее баланс компонентов системы и методы утилизации неизвестны. ^[50]

Традиционный LCA может рассматривать множество различных категорий воздействия, начиная от потенциала глобального потепления , экотоксичности , токсичности для человека, истощения водных ресурсов и многих других.

Большинство ОЖЦ фотоэлектрических систем сосредоточены на двух категориях: эквиваленты углекислого газа на кВтч и срок окупаемости энергии (EPBT). EPBT определяется как «время, необходимое для компенсации всей возобновляемой и невозобновляемой первичной энергии, необходимой в течение жизненного цикла фотоэлектрической системы». ^[51] Обзор EPBT от фотоэлектрических модулей первого и второго поколения в 2015 году ^[52] показал, что было больше изменений во встроенной энергии, чем в эффективности ячеек, подразумевая, что в основном встроенная энергия должна быть уменьшена, чтобы иметь большее сокращение EPBT. Одна из трудностей в определении воздействий, вызванных ФЭ, состоит в том, чтобы определить, выбрасываются ли отходы в воздух, воду или почву на этапе производства. ^[53]В настоящее время проводятся исследования, чтобы попытаться понять выбросы и выбросы в течение срока службы фотоэлектрических систем. ^[53]

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%. ^[54] 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. ^[55] От колыбели до ворот CO ₂ -экв / кВтч колеблется от 37,3 до 72,2 грамма. ^[56]

Методы производства фотоэлектрических элементов из мультикристаллического кремния (мульти-Si) проще и дешевле, чем моно-си, однако, как правило, создаются менее эффективные элементы, в среднем на 13,2%. ^[54] EPBT составляет от 1,5 до 2,6 лет. ^[55] Уровень CO ₂ -экв / кВтч составляет от 28,5 до 69 граммов. ^{[56] В} некоторых исследованиях помимо EPBT и GWP рассматривались 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. ^[57]

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. Сегодня доля CdTe на мировом рынке составляет 5,4% по сравнению с 4,7% в 2008 году. ^[53] Наивысшая эффективность преобразования энергии этой технологии составляет 21%. ^[58] 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. ^[59]

Диселенид меди, индия, галлия (CIGS) представляет собой тонкопленочный солнечный элемент на основе семейства халькопиритовых полупроводников из семейства диселенида меди и индия (CIS) . CIS и CIGS часто взаимозаменяемы 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. ^[60] 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%). ^[61] EPBT колеблется от 0,2 до 1,4 года, ^{[59] в} то время как согласованное значение EPBT было найдено 1,393 года. ^[52] Токсичность - это проблема буферного слоя модулей CIGS, поскольку он содержит кадмий и галлий. ^{[50] [62]} Модули CIS не содержат тяжелых металлов.

Воздействие третьего поколения

Фотоэлементы третьего поколения разработаны для объединения преимуществ устройств первого и второго поколения, и они не имеют предела Шокли-Кайссера , теоретического предела для фотоэлементов первого и второго поколения. Толщина устройства третьего поколения составляет менее 1 мкм. ^[63]

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. ^[64] 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 абсорбера (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, Al₂ 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. ^{[64] [65] [66]} Основную проблему для окружающей среды 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. ^{[65] [66]} Потенциал глобального потепления ФВ перовскита находился в диапазоне 24–1500 граммов CO _2.-экв. / кВтч выработки 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. ^[64]

Двумя новыми перспективными тонкопленочными технологиями являются сульфид меди, цинка и олова (Cu ₂ ZnSnS ₄ или CZTS), ^[50] фосфид цинка (Zn ₃ P ₂ ) ^[50] и однослойные углеродные нанотрубки (SWCNT). ^[67] 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. ^[68]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. ^{[69] [70]} Несмотря на то, что CZTS и Zn ₃ P _{2 являются} многообещающими по этим причинам, конкретные экологические последствия их коммерческого 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. ^[50] В целом, CdTe и Zn ₃P ₂ оказывает аналогичное воздействие на окружающую среду, но может немного превзойти CIGS и CZTS. ^[50] 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. ^[67] 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 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. ^[71] OPV отличаются гибкостью, малым весом и хорошо подходят для массового производства с рулонного производства. ^[72] OPV использует «только изобилие элементов в сочетании с чрезвычайно низкой воплощенной энергией за счет очень низких температур обработки с использованием только окружающих условий обработки на простом печатном оборудовании, обеспечивающем время окупаемости энергии». ^[73]Текущий КПД колеблется от 1 до 6,5% ^{[51] [74],} однако теоретический анализ показывает многообещающий КПД выше 10%. ^[73]

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 . ^[75] Среднее значение CO _2- экв / кВтч для ОПВ составляет 54,922 грамма. ^[76]

Экономика [ править ]

Источник: Apricus [77]

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. ^[3]

В фотоэлектрической отрасли цены на модули резко упали с 2008 года. В конце 2011 года заводские 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 знак достижения паритета сети для фотоэлектрических систем . Технологический прогресс, совершенствование производственных процессов и реструктуризация отрасли означают, что в ближайшие годы вероятно дальнейшее снижение цен. ^[3] По состоянию на 2017 год цены по соглашению о покупке электроэнергии для солнечных электростанций ниже 0,05 доллара США / кВтч являются обычными в Соединенных Штатах, а самые низкие ставки в нескольких международных странах составляли около 0,03 доллара США / кВтч. ^[41]

Финансовые стимулы для фотоэлектрических систем , такие как зеленые тарифы , часто предлагались потребителям электроэнергии для установки и эксплуатации систем солнечной генерации. Правительство иногда также предлагало стимулы, чтобы побудить фотоэлектрическую промышленность к достижению эффекта масштаба, необходимого для конкуренции там, где стоимость электроэнергии, произведенной с помощью фотоэлектрической энергии, превышает стоимость существующей сети. Такая политика осуществляется для содействия национальной или территориальной энергетической независимости , созданию рабочих мест в сфере высоких технологий и сокращению выбросов углекислого газа.которые вызывают 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 стоимость и цена в ближайшие годы снизятся.

КПД солнечных элементов варьируется от 6% для солнечных элементов на основе аморфного кремния до 44,0% для концентрированных фотоэлектрических элементов с несколькими переходами . ^[78] Эффективность преобразования энергии солнечных элементов в коммерчески доступных фотоэлектрических элементах составляет около 14–22%. ^{[79] [80]} 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, в противном случае мощность, необходимая для активного охлаждения, снизит общую эффективность и экономичность.

Цены на кристаллические кремниевые солнечные элементы упали с 76,67 долларов за ватт в 1977 году до примерно 0,74 доллара за ватт в 2013 году. ^[81] Это рассматривается как свидетельство, подтверждающее закон Свансона , наблюдение, подобное известному закону Мура, который гласит, что цены на солнечные элементы падают 20. % за каждое удвоение производственных мощностей отрасли. ^[81]

По оценкам Bloomberg New Energy Finance, в 2011 году цена на фотоэлектрические модули упала на 60% с лета 2008 года, что позволило впервые поставить солнечную энергию на конкурентную основу с розничной ценой на электроэнергию в ряде солнечных страны; альтернативная и последовательная цифра снижения цен на 75% с 2007 по 2012 год также была опубликована ^[82], хотя неясно, относятся ли эти цифры к США или в целом к ​​глобальному масштабу. Levelised стоимость электроэнергии ( LCOE ) от PV является конкурентоспособной по сравнению с традиционными источниками электроэнергии в расширяющемся списке географических регионов, ^[83] , особенно когда время генерации включено, поскольку электричество стоит больше в течение дня , чем ночью.^[84] 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. ^[85] Со временем технологии возобновляемых источников энергии, как правило, дешевеют, ^{[86] [87] в} то время как ископаемое топливо, как правило, дорожает:

Чем меньше стоимость солнечной энергии, тем она выгоднее по сравнению с традиционной энергией и тем более привлекательной становится для коммунальных предприятий и потребителей энергии по всему миру. Солнечная энергия для коммунальных предприятий теперь может поставляться в Калифорнию по ценам значительно ниже, чем на 100 долларов США / МВтч (0,10 доллара США / кВтч), чем у большинства других пиковых генераторов, даже работающих на дешевом природном газе. Более низкие затраты на солнечные модули также стимулируют спрос на потребительских рынках, где стоимость солнечной энергии очень выгодна по сравнению с розничными тарифами на электроэнергию. ^[88]

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. ^[89]

Для крупномасштабных установок были достигнуты цены ниже 1,00 долл. США 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. ^[90]

К концу 2012 года цена «лучшего в своем классе» модуля упала до 0,50 доллара за ватт, а к 2017 году ожидалось снижение до 0,36 доллара за ватт ^[91].

Во многих местах фотоэлектрическая энергия достигла сетевого паритета, который обычно определяется как затраты на производство фотоэлектрической энергии на уровне или ниже розничных цен на электроэнергию (хотя часто все еще выше цен на электростанции для угольной или газовой генерации 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 используется для ускорения развития солнечных фотоэлектрических проектов. ^{[92] [93]} Например, SolarCity предложила первую в США систему безопасности, обеспеченную активами, в солнечной отрасли в 2013 году. ^[94]

Фотоэлектрическая энергия также вырабатывается в течение дня, близкого к пиковому потреблению (до него) в электроэнергетических системах с интенсивным 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 электроэнергию. Это можно увидеть на Рисунке 1 этой статьи: ^[95]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 цен на фотоэлектрические системы отразилось на быстрорастущих установках, которые составили около 23 ГВт в 2011 году. Хотя в 2012 году вероятна некоторая консолидация, из-за сокращения поддержки на крупных рынках Германии и Италии, сильный рост, вероятно, продолжится для остальных. десятилетия. По одной из оценок, общий объем инвестиций в возобновляемые источники энергии в 2011 году превысил инвестиции в производство электроэнергии на основе углерода. ^[89]

В случае самостоятельного потребления срок окупаемости рассчитывается исходя из того, сколько электроэнергии не доставлено из сети. Кроме того, использование фотоэлектрической солнечной энергии для зарядки аккумуляторов постоянного тока, используемых 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, что дает в среднем 10% потерь во время преобразования. 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 2 057 до 8 213 долларов (анализ за 2009 год). ^[96]

Например, в Германии с ценами на электроэнергию 0,25 евро / кВтч и изоляцией 900 кВтч / кВт один кВт _p сэкономит 225 евро в год, а при стоимости установки 1700 евро / кВт _p означает, что система окупится менее чем за 7 евро. лет (пример за 2013 год). ^[97]

Производство [ править ]

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. ^[98]

Хотя известно много типов фотоэлектрических систем, которые, как известно, являются эффективными, фотоэлектрические системы из кристаллического кремния составили около 90% мирового производства фотоэлектрических систем в 2013 году. Производство кремниевых фотоэлектрических систем включает несколько этапов. Сначала поликремний обрабатывают из добытого кварца до очень чистой (полупроводниковой) степени. Он расплавляется, когда небольшое количество бора, элемент III группы, добавляются, чтобы сделать полупроводник p-типа богатым 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 элементы подключаются через электрическую цепь в соответствии с конкретным применением и подготавливаются к отправке и установке. ^[99]

Фотоэлектрические элементы на кристаллическом кремнии - это только один из типов фотоэлектрических модулей, 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. ^[100]

Другая более новая технология, тонкопленочные фотоэлектрические элементы, производятся путем нанесения полупроводниковых слоев 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. ^{[101] [102]} Тонкопленочные фотоэлектрические элементы в настоящее время составляют около 20% от общего производства фотоэлектрических модулей из-за меньших требований к материалам и стоимости изготовления модулей, состоящих из тонких пленок, по сравнению с пластинами на основе кремния. ^[103]

Другие появляющиеся фотоэлектрические технологии включают органические, сенсибилизированные красителями, квантовые точки и фотоэлектрические элементы на основе перовскита. ^[104]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 кремниевой основе. 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 пластмассу, используемую 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 максимальная эффективность составляет 12%.Перовскитные солнечные элементы представляют собой очень эффективный преобразователь солнечной энергии и обладают отличными оптоэлектронными свойствами для фотоэлектрических целей, но их масштабирование для ячеек лабораторного размера до модулей большой площади все еще исследуется.^[105]

Приложения [ править ]

Фотоэлектрические системы [ править ]

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

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. ^[106]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. ^[107] Как правило, жилые системы на крышах 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. ^[108]

• Концентратор фотоэлектрические

Фотовольтаика с концентратором (CPV) - это фотоэлектрическая технология, которая в отличие от обычных фотоэлектрических систем с плоскими пластинами использует линзы и изогнутые зеркала для фокусировки солнечного света на небольших, но высокоэффективных многопереходных (MJ) солнечных элементах. Кроме того, в системах CPV часто используются солнечные трекеры, а иногда и система 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

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. ^{[109] [110]}

• Энергостанции

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. ^[111] Когда проект Solar Star был завершен в 2015 году, это была крупнейшая в то время фотоэлектрическая электростанция . ^[112]

• 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. ^[113]

• 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. ^{[114] [115]} Куба работает над тем, чтобы обеспечить солнечной энергией районы, которые не подключены к электросети. ^[116] Более сложные применения внесетевого использования солнечной энергии включают в себя 3D-принтеры . ^[117] 3D-принтеры RepRap питаются от солнечной энергии с использованием фотоэлектрической технологии ^[118], что позволяет производить 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. ^[119]

• 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 из-за значительных затрат на подключение электроэнергия в сети становится непомерно дорогой. К таким приложениям относятся солнечные лампы , водяные насосы, ^[120] парковочные счетчики , ^{[121] [122]} телефоны аварийной службы , уплотнители мусора , ^[123] временные дорожные знаки, зарядные станции, ^{[124] [125]} и удаленные посты охраны и сигналы.

• Плавающая солнечная

Там, где земля может быть ограничена, фотоэлектрические панели могут быть развернуты как плавающие солнечные . В мае 2008 года на винодельне Far Niente в Оквилле, штат Калифорния, была создана первая в мире «плавучая электрическая» система, установив 994 фотоэлектрических солнечных панели на 130 понтонов и разместив их на ирригационном пруду винодельни. Плавающая система вырабатывает около 477 кВт пиковой мощности и в сочетании с рядом ячеек, расположенных рядом с прудом, способна полностью компенсировать потребление электроэнергии винодельней. ^[126]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 этот участок земли можно использовать для сельского хозяйства. ^[127] Еще одним преимуществом плавающей солнечной системы является то, 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. ^[128]

• В транспорте

Фотоэлектрические панели традиционно использовались для производства электроэнергии 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, чтобы ограничить температуру в салоне в жаркие дни. ^[129] Автономное транспортное средство на солнечных батареях будет иметь ограниченную мощность и полезность, но электромобиль, заряженный от солнечной энергии, позволяет использовать солнечную энергию для транспортировки. Были продемонстрированы автомобили, лодки ^[130] и самолеты ^[131] , работающие на солнечных батареях, наиболее практичными и вероятными из которых являются автомобили на солнечных батареях . ^[132] Швейцарский самолет на солнечных батареях ,Solar Impulse 2 совершил самый продолжительный беспосадочный одиночный полет в истории и совершил первое воздушное кругосветное плавание на солнечной энергии 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 телесигналы 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. ^[133]

• Применение космических аппаратов

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 . ^[134] Космические аппараты были одним из первых применений фотоэлектрической энергии, начиная с кремниевых солнечных элементов, используемых на спутнике Vanguard 1 , запущенном США в 1958 году. ^[135] С тех пор солнечная энергия использовалась в различных миссиях, начиная с MESSENGER. зондом к Меркурию, так далеко в солнечной системе, как Юноназонд к Юпитеру. Самая большая солнечная энергетическая система, летающая в космос, - 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. ^[134]

• Специальные энергосистемы

Фотоэлектрические элементы могут также использоваться в качестве устройств преобразования энергии для объектов с повышенными температурами и с предпочтительной излучательной способностью, например, гетерогенные камеры сгорания . ^[136]

• 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. ^[137] 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. ^[138]

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. ^[137] Кремнийфотоэлектрические элементы, наиболее распространенный тип фотоэлементов на рынке, могут достигать эффективности только около 8% при использовании окружающего света 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 на 1,6 эВ по сравнению с его кристаллическим аналогом, что делает его более подходящим для захвата спектров света внутри помещений. ^[139]

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. ^[140]

• 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%. ^{[141] [142]}

• Существуют различные органические фотоэлектрические системы, которые продемонстрировали эффективность более 16% от внутреннего освещения, несмотря на низкую эффективность сбора энергии под солнечным светом. ^[143] 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. ^[137]

• Солнечные элементы из перовскита были протестированы на эффективность более 25% при слабом освещении. ^[144] 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. ^[145] Несмотря на то, что перовскитные клетки проводятся в большом количестве, необходимы дальнейшие исследования, чтобы изучить его возможности для IPV и разработать продукты, которые могут быть использованы для обеспечения работы Интернета вещей.

Фотодатчики [ править ]

Фотодатчики являются датчиками из света или другого электромагнитного излучения . ^[146] 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.

Преимущества [ править ]

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. ^[147] Такое изобилие наводит на предположение, что совсем скоро солнечная энергия станет основным источником энергии в мире. ^[148] Кроме того, солнечная генерация электроэнергии имеет самую высокую плотность мощности (в среднем 170 Вт / м ² ) среди возобновляемых источников энергии. ^[147]

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 ^[149], и всех этих смертей, кроме одного, можно предотвратить, если использовать фотоэлектрическую энергию для замены угля. ^{[150] [151]} Конечные отходы производства и выбросы можно регулировать с помощью существующих средств контроля загрязнения. Технологии вторичной переработки отходов находятся в стадии разработки ^[152], и разрабатываются стратегии, поощряющие переработку со стороны производителей. ^[153]

Фотоэлектрические установки в идеале могли бы работать в течение 100 лет или даже более ^[154] с минимальным обслуживанием или вмешательством после их первоначальной настройки, поэтому 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 на местном уровне, что снижает потери при передаче / распределении (потери при передаче в США составляли примерно 7,2% в 1995 г.). ^[155]

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 ^[156], и эффективность быстро растет, в то время как затраты на массовое производство быстро падают. ^[157]

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. ^[158] Теперь известное как PACE , Чистая энергия с оценкой собственности, 30 штатов США продублировали это решение. ^[159]

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 средних надбавок за фотоэлектрические компоненты варьируются от примерно 3,9 до 6,4 долларов США за установленный ватт (DC) среди большого количества различных спецификаций моделей, при этом стоимость большинства моделей составляет около 5,5 долларов США за ватт. Это значение соответствует надбавке примерно в 17 000 долларов за относительно новую фотоэлектрическую систему мощностью 3100 ватт (средний размер фотоэлектрических систем в исследовании). ^[160]

Ограничения [ править ]

• 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. ^{[ необходима цитата ]}

• Воздействие на электрическую сеть

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. ^[161] Существуют решения для управления проблемой перенапряжения, такие как регулирование коэффициента мощности фотоэлектрического инвертора, новое оборудование для управления напряжением и энергией на уровне распределителя электроэнергии, перенаправление электрических проводов, управление со стороны спроса и т. Д. и затраты, связанные с этими решениями.

Высокая выработка в середине дня снижает чистый спрос на генерацию, но более высокий пиковый нетто-спрос по мере захода солнца может потребовать быстрого наращивания мощности электростанций, 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. Общий,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.^{[162] [163]}

См. Также [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме фотовольтаики .

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Нация чистых технологий : как США могут стать лидером в новой глобальной экономике (2012) Рона Перника и Клинта Уайлдера
• Развертывание возобновляемых источников энергии 2011 (2011 г.) Международного энергетического агентства.
• Reinventing Fire: смелые бизнес-решения для новой энергетической эры (2011), Эмори Ловинс
• Возобновляемые источники энергии и смягчение последствий изменения климата (2011 г.) МГЭИК
• Перспективы солнечной энергии (2011 г.) Международного энергетического агентства.
• Насколько практична солнечная энергия для владельцев домов PH? от Рапплера
• Проект SolarBankbility ЕС 09/2016. Отчет «Минимизация технических рисков в фотоэлектрических проектах»