Фотоэлектрическая энергия ( PV ) — это преобразование света в электричество с использованием полупроводниковых материалов , которые проявляют фотоэлектрический эффект — явление, изучаемое в физике , фотохимии и электрохимии . Фотоэлектрический эффект коммерчески используется для производства электроэнергии и в качестве фотосенсоров .
Фотоэлектрическая система использует солнечные модули , каждый из которых состоит из нескольких солнечных элементов , которые генерируют электроэнергию. Фотоэлектрические установки могут быть наземными, крышными, настенными или плавающими. Крепление можно закрепить или использовать солнечный трекер , чтобы следить за солнцем по небу.
Фотоэлектрические технологии помогают смягчить последствия изменения климата , поскольку они выделяют гораздо меньше углекислого газа , чем ископаемое топливо . Солнечная фотоэлектрическая система имеет определенные преимущества в качестве источника энергии: после установки ее работа не приводит к загрязнению окружающей среды или выбросам парниковых газов ; он демонстрирует масштабируемость в отношении потребностей в электроэнергии, а кремний широко доступен в земной коре, хотя другие материалы, необходимые для производства фотоэлектрических систем, такие как серебро, могут сдерживать дальнейший рост этой технологии. Другие основные выявленные ограничения включают конкуренцию за землепользование. [1] Использование фотоэлектрических систем в качестве основного источника требует систем хранения энергии или глобального распределения по высоковольтным линиям электропередач постоянного тока, что приводит к дополнительным затратам, а также имеет ряд других специфических недостатков, таких как выработка переменной мощности, которую необходимо балансировать. Производство и установка действительно вызывают некоторое загрязнение и выбросы парниковых газов , хотя ископаемое топливо вызывает лишь небольшую часть выбросов .
Фотоэлектрические системы уже давно используются в специализированных приложениях, поскольку автономные установки и фотоэлектрические системы, подключенные к сети, используются с 1990-х годов. [2] Фотоэлектрические модули впервые начали массово производиться в 2000 году, когда правительство Германии профинансировало программу строительства крыш стоимостью в сто тысяч штук. [3] Снижение затрат позволило фотоэлектрическим системам стать источником энергии. Частично это было обусловлено масштабными инвестициями правительства Китая в развитие мощностей по производству солнечной энергии с 2000 года и достижением эффекта масштаба . Улучшения в технологии производства и эффективности также привели к снижению затрат. [4] [5] Чистые измерения и финансовые стимулы, такие как льготные тарифы на электроэнергию, вырабатываемую солнечной энергией, поддержали установку солнечных фотоэлектрических установок во многих странах. [6] Цены на панели упали в 4 раза в период с 2004 по 2011 год. Цены на модули упали примерно на 90% за 2010-е годы.
В 2022 году установленная мощность фотоэлектрических систем во всем мире увеличится до более чем 1 тераватт (ТВт), что покроет почти два процента мировой потребности в электроэнергии . [7] После гидроэнергетики и ветроэнергетики фотоэлектрические системы являются третьим источником возобновляемой энергии с точки зрения глобальной мощности. В 2022 году Международное энергетическое агентство ожидало роста более чем на 1 ТВт в период с 2022 по 2027 год . в Катаре в 2023 году составит 0,015 доллара США за кВтч . [9] В 2023 году Международное энергетическое агентство заявило в своем обзоре «World Energy Outlook» , что «[для] проектов с низким уровнем финансирования, которые используют высококачественные ресурсы, солнечная фотоэлектрическая энергия в настоящее время является самой дешевой. источник электроэнергии в истории. [10]
Термин «фотоэлектрическая энергия» происходит от греческого φῶς ( phōs ), означающего «свет», и от «вольта», единицы электродвижущей силы, вольта , который, в свою очередь, происходит от фамилии итальянского физика Алессандро Вольта , изобретателя аккумулятор ( электрохимический элемент ). Термин «фотоэлектрический» используется в английском языке с 1849 года. [11]
Джордж Коув , возможно, изобрел фотоэлектрическую панель в 1909 году, примерно на 40 лет раньше, чем это сделала Bell Labs в 1950 году . [13] В 1989 году Министерство исследований Германии инициировало первую в истории программу финансирования фотоэлектрических крыш (2200 крыш). Программа под руководством Вальтера Сандтнера в Бонне, Германия. [14]
В 1994 году Япония последовала их примеру и провела аналогичную программу, установив 539 бытовых фотоэлектрических систем. [15] С тех пор многие страны продолжают производить и финансировать фотоэлектрические системы с экспоненциальной скоростью.
Фотоэлектрические системы наиболее известны как метод производства электроэнергии с использованием солнечных элементов для преобразования энергии Солнца в поток электронов за счет фотоэлектрического эффекта . [16] [17]
Солнечные элементы производят электричество постоянного тока из солнечного света, которое можно использовать для питания оборудования или для подзарядки батарей . Первым практическим применением фотоэлектрических модулей было питание орбитальных спутников и других космических аппаратов , но сегодня большинство фотоэлектрических модулей используются в подключенных к сети системах выработки электроэнергии. В этом случае необходим инвертор для преобразования постоянного тока в переменный . По-прежнему существует меньший рынок автономных систем для удаленных жилищ, лодок , транспортных средств для отдыха , электромобилей , придорожных телефонов экстренной помощи, дистанционного зондирования и катодной защиты трубопроводов .
Для производства фотоэлектрической энергии используются солнечные модули , состоящие из ряда солнечных элементов , содержащих полупроводниковый материал. [18] Медные солнечные кабели соединяют модули (модульный кабель), массивы (массивный кабель) и подполя. Из-за растущего спроса на возобновляемые источники энергии производство солнечных элементов и фотоэлектрических батарей в последние годы значительно продвинулось вперед. [19] [20] [21]
Элементы требуют защиты от окружающей среды и обычно плотно упакованы в солнечные модули .
Мощность фотоэлектрического модуля измеряется в стандартных условиях испытаний (STC) в «Вт п » ( пиковые ватты ). [22] 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. [23] Коэффициент мощности солнечных фотоэлектрических батарей обычно составляет менее 25%, если они не связаны с накопителями, что ниже, чем у многих других промышленных источников электроэнергии. [24]
Эффективность солнечных батарей относится к той части энергии в виде солнечного света, которая может быть преобразована с помощью фотогальваники в электричество с помощью солнечного элемента .
Эффективность солнечных элементов, используемых в фотоэлектрической системе , в сочетании с широтой и климатом определяет годовую выработку энергии системой. Например, солнечная панель с эффективностью 20 % и площадью 1 м 2 будет производить 200 кВтч/год при стандартных условиях испытаний, если подвергается воздействию солнечного излучения со значением 1000 Вт/м 2 в течение 2,74 часа в день. Обычно солнечные панели подвергаются воздействию солнечного света в течение более длительного времени в течение дня, но солнечное излучение составляет менее 1000 Вт/м 2 большую часть дня. Солнечная панель может производить больше, когда Солнце находится высоко в небе Земли, и будет производить меньше в пасмурную погоду или когда Солнце находится низко в небе, обычно зимой Солнце находится ниже в небе.
Двумя зависящими от местоположения факторами, которые влияют на выход солнечной фотоэлектрической энергии, являются дисперсия и интенсивность солнечного излучения. Эти две переменные могут сильно различаться в разных странах. [25] Регионы мира с высокими уровнями радиации в течение года — это Ближний Восток, Северное Чили, Австралия, Китай и юго-запад США. [25] [26] В высокопроизводительной солнечной зоне, такой как центральный Колорадо, где годовая инсоляция составляет 2000 кВтч/м 2 /год, [27] можно ожидать, что панель будет производить 400 кВтч энергии в год. Однако в Мичигане, который получает всего 1400 кВтч/м 2 /год, [27] годовая выработка энергии упадет до 280 кВтч для той же панели. В более северных европейских широтах выработка значительно ниже: годовая выработка электроэнергии в южной Англии при тех же условиях составляет 175 кВтч. [28]
На эффективность преобразования ячейки влияют несколько факторов, включая ее отражательную способность , термодинамическую эффективность , эффективность разделения носителей заряда , эффективность сбора носителей заряда и значения эффективности проводимости . [30] [29] Поскольку эти параметры сложно измерить напрямую, вместо них измеряются другие параметры, включая квантовую эффективность , коэффициент напряжения холостого хода (V OC ) и коэффициент заполнения. Потери на отражение учитываются значением квантовой эффективности, поскольку они влияют на «внешнюю квантовую эффективность». Рекомбинационные потери учитываются значениями квантовой эффективности, отношения VOC и коэффициента заполнения. Резистивные потери в основном объясняются значением коэффициента заполнения, но также вносят вклад в значения квантовой эффективности и коэффициента V OC .
По состоянию на 2024 год мировой рекорд эффективности солнечных элементов составит 47,6%, установленный в мае 2022 года компанией Fraunhofer ISE с четырехпереходным элементом CPV III-V. [31] Это побило предыдущий рекорд в 47,1%, установленный в 2019 году многопереходными концентрирующими солнечными элементами, разработанными в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) , Голден, Колорадо, США, [32] который был установлен в лабораторных условиях в экстремальных условиях. концентрированный свет. Рекорд в реальных условиях также принадлежит компании NREL, которая разработала ячейки с тройным соединением с проверенной эффективностью 39,5%. [33] [34]
Производительность модуля обычно оценивается при стандартных условиях испытаний (STC): интенсивность излучения 1000 Вт/м 2 , солнечный спектр AM 1,5 и температура модуля 25 ° C . [35] Фактическое выходное напряжение и ток модуля изменяются по мере изменения условий освещения, температуры и нагрузки, поэтому никогда не существует одного конкретного напряжения, при котором работает модуль. Производительность варьируется в зависимости от географического положения, времени суток, дня года, количества солнечного излучения , направления и наклона модулей, облачности, затенения, загрязнения , состояния заряда и температуры. Производительность модуля или панели можно измерить в различные промежутки времени с помощью клещей постоянного тока или шунта и записать, построить график или диаграмму с помощью самописца или регистратора данных.
Для оптимальной работы солнечная панель должна состоять из одинаковых модулей, ориентированных в одном направлении, перпендикулярном прямому солнечному свету. Обходные диоды используются для обхода сломанных или затененных панелей и оптимизации выходного сигнала. Эти байпасные диоды обычно размещаются вдоль групп солнечных элементов для создания непрерывного потока. [36]
Электрические характеристики включают номинальную мощность (P MAX , измеряется в Вт ), напряжение холостого хода (В OC ), ток короткого замыкания (I SC , измеряется в амперах ), максимальное напряжение мощности (В MPP ), максимальную мощность тока (I MPP) . ), пиковая мощность ( ватт-пик , Вт ) и эффективность модуля (%).
Напряжение холостого хода или V OC — это максимальное напряжение, которое модуль может производить, когда он не подключен к электрической цепи или системе. [37] V OC можно измерить вольтметром непосредственно на клеммах освещаемого модуля или на его отсоединенном кабеле.
Номинальная пиковая мощность, Вт p , представляет собой максимальную выходную мощность в стандартных условиях испытаний (а не максимально возможную выходную мощность). Типичные модули размером примерно 1 на 2 метра (3 х 7 футов) будут иметь мощность от 75 Вт до 600 Вт, в зависимости от их эффективности. Во время тестирования тестовые модули группируются в соответствии с результатами испытаний, и типичный производитель может оценивать свои модули с шагом 5 Вт и либо оценивать их как +/- 3%, +/- 5%, +3/ -0% или +5/-0%. [38] [39] [40]
Производительность фотоэлектрического (PV) модуля зависит от условий окружающей среды, в основном от общей падающей освещенности G в плоскости модуля. Однако температура Т p–n-перехода влияет и на основные электрические параметры: ток короткого замыкания ISC, напряжение холостого хода VOC и максимальную мощность Pmax. В целом известно, что ЛОС обнаруживает значимую обратную корреляцию с Т, тогда как для ISC эта корреляция прямая, но более слабая, так что это увеличение не компенсирует снижение ЛОС. Как следствие, Pmax уменьшается с увеличением T. Эта корреляция между выходной мощностью солнечного элемента и рабочей температурой его перехода зависит от материала полупроводника и обусловлена влиянием Т на концентрацию, время жизни и подвижность собственных носителей заряда, т. е. электронов и запрещенных зон. внутри фотоэлектрического элемента.
Температурная чувствительность обычно описывается температурными коэффициентами, каждый из которых выражает производную параметра, к которому он относится, по температуре перехода. Значения этих параметров, которые можно найти в любом паспорте фотоэлектрического модуля, следующие:
- β: коэффициент вариации ЛОС по отношению к Т, определяемый как ∂ЛОС/∂Т.
- α: Коэффициент вариации ISC относительно T, определяемый как ∂ISC/∂T.
- δ: Коэффициент изменения Pmax относительно T, определяемый как ∂Pmax/∂T.
Методики оценки этих коэффициентов по экспериментальным данным можно найти в литературе [41]
Способность солнечных модулей противостоять воздействию дождя, града , сильной снеговой нагрузки, а также циклов жары и холода варьируется в зависимости от производителя, хотя большинство солнечных панелей на рынке США внесены в список UL, что означает, что они прошли испытания на устойчивость к граду. [42]
Потенциально-индуцированная деградация (также называемая ПИД) — это потенциально-индуцированное ухудшение характеристик кристаллических фотоэлектрических модулей, вызванное так называемыми блуждающими токами. [43] Этот эффект может привести к потере мощности до 30%. [44]
Самой большой проблемой для фотоэлектрических технологий является закупочная цена за ватт произведенной электроэнергии. Достижения в фотоэлектрических технологиях привели к процессу «легирования» кремниевой подложки для снижения энергии активации, что делает панель более эффективной в преобразовании фотонов в возвращаемые электроны. [45]
Такие химические вещества, как бор (p-типа), применяются в кристалле полупроводника, чтобы создать донорные и акцепторные энергетические уровни существенно ближе к валентной и проводящей зонам. [46] При этом добавление примеси бора позволяет снизить энергию активации в двадцать раз с 1,12 эВ до 0,05 эВ. Поскольку разность потенциалов (E B ) настолько мала, бор способен термически ионизироваться при комнатной температуре. Это позволяет использовать свободные носители энергии в зонах проводимости и валентной зоне, тем самым обеспечивая большее преобразование фотонов в электроны.
Выходная мощность фотоэлектрического (PV) устройства со временем уменьшается. Это уменьшение связано с воздействием солнечной радиации, а также других внешних условий. Индекс деградации, который определяется как годовой процент потери выходной мощности, является ключевым фактором, определяющим долгосрочную производительность фотоэлектрической установки. Чтобы оценить это ухудшение, процент снижения связан с каждым из электрических параметров. Индивидуальная деградация фотоэлектрического модуля может существенно повлиять на производительность всей цепочки. Более того, не все модули в одной установке снижают свою производительность с одинаковой скоростью. Учитывая набор модулей, подвергающихся длительному воздействию внешних условий, необходимо учитывать индивидуальную деградацию основных электрических параметров и увеличение их дисперсии. Поскольку каждый модуль имеет тенденцию к деградации по-разному, поведение модулей со временем будет все более различаться, что отрицательно скажется на общей производительности установки.
В литературе имеется несколько исследований, посвященных анализу снижения мощности модулей на основе различных фотоэлектрических технологий. Согласно недавнему исследованию [47] деградация кристаллических кремниевых модулей носит очень регулярный характер и колеблется от 0,8% до 1,0% в год.
С другой стороны, если проанализировать работу тонкопленочных фотоэлектрических модулей, наблюдается начальный период сильной деградации (который может длиться от нескольких месяцев до двух лет), за которым следует более поздняя стадия, на которой деградация стабилизируется, т.е. тогда сравнимо с таковым у кристаллического кремния. [48] В таких тонкопленочных технологиях также наблюдаются сильные сезонные колебания, поскольку влияние солнечного спектра гораздо сильнее. Например, для модулей из аморфного кремния, микроморфного кремния или теллурида кадмия речь идет о годовых темпах деградации в течение первых лет от 3% до 4%. [49] Однако другие технологии, такие как CIGS, демонстрируют гораздо более низкие темпы деградации, даже в те первые годы.
В целом производственный процесс создания солнечных фотоэлектрических систем прост, поскольку не требует создания 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. По этой причине для производителей важна экономия на масштабе, поскольку затраты снижаются с увеличением выпуска. [50]
Несмотря на то, что существует множество типов фотоэлектрических систем, которые известны своей эффективностью, на долю фотоэлектрических систем из кристаллического кремния в 2013 году приходилось около 90% мирового производства фотоэлектрических систем. Производство кремниевых фотоэлектрических систем состоит из нескольких этапов. Сначала поликремний перерабатывается из добытого кварца до тех пор, пока он не станет очень чистым (полупроводниковый). Он расплавляется при добавлении небольших количеств бора , элемента группы III, для создания полупроводника p-типа, богатого электронными дырками. Обычно с использованием затравочного кристалла слиток этого раствора выращивают из жидкого поликристалла. Слиток также можно отлить в форму. Пластины этого полупроводникового материала вырезаются из основного материала проволочными пилами, а затем подвергаются травлению поверхности перед очисткой. Затем пластины помещаются в печь для осаждения фосфора из паровой фазы, в которой наносится очень тонкий слой фосфора, элемента V группы, который создает полупроводниковую поверхность n-типа. Для уменьшения потерь энергии на поверхность вместе с электрическими контактами нанесено антибликовое покрытие. После завершения сборки элементы соединяются по электрической схеме в соответствии с конкретным применением и подготавливаются к транспортировке и установке. [51]
Солнечная фотоэлектрическая энергия не является полностью «чистой энергией»: производство приводит к выбросам парниковых газов, материалы, используемые для создания элементов, потенциально неэкологичны и в конечном итоге исчерпают себя, в технологии используются токсичные вещества, которые вызывают загрязнение окружающей среды, и не существует жизнеспособных технологий по переработке солнечной энергии. напрасно тратить. [52] Данные, необходимые для изучения их воздействия, иногда подвержены довольно большой степени неопределенности. Например, стоимость человеческого труда и потребления воды точно не оценивается из-за отсутствия систематического и точного анализа в научной литературе. [1] Одна из трудностей при определении эффектов, вызванных фотоэлектрическими энергиями, заключается в том, чтобы определить, выбрасываются ли отходы в воздух, воду или почву на этапе производства. [53] Оценки жизненного цикла , которые учитывают все различные воздействия на окружающую среду, начиная от потенциала глобального потепления , загрязнения, истощения водных ресурсов и других, недоступны для фотоэлектрических систем. Вместо этого в исследованиях пытались оценить влияние и потенциальное воздействие различных типов фотоэлектрических систем, но эти оценки обычно ограничиваются простой оценкой энергетических затрат при производстве и/или транспортировке , поскольку это новые технологии и общее воздействие их компонентов на окружающую среду. и методы утилизации неизвестны даже для коммерчески доступных солнечных элементов первого поколения , не говоря уже об экспериментальных прототипах, не имеющих коммерческой жизнеспособности. [54]
Таким образом, оценки воздействия фотоэлектрических систем на окружающую среду были сосредоточены на эквиваленте углекислого газа на кВтч или времени окупаемости энергии (EPBT). EPBT описывает период времени, который должен работать фотоэлектрическая система, чтобы выработать то же количество энергии, которое было использовано для ее производства. [55] Другое исследование включает затраты на транспортную энергию в EPBT. [56] В другом исследовании, которое также включало затраты на установку, EPBT также был определен совершенно по-другому, как «время, необходимое для компенсации общего объема возобновляемой и невозобновляемой первичной энергии, необходимой в течение жизненного цикла фотоэлектрической системы». [57] Эта амортизация энергии, выраженная в годах, также называется временем окупаемости энергии . [58] Чем ниже EPBT, тем ниже экологические затраты солнечной энергии . EPBT во многом зависит от места установки фотоэлектрической системы (например, количества доступного солнечного света и эффективности электрической сети) [56] и от типа системы, а именно ее компонентов. [55]
Обзор оценок EPBT для фотоэлектрических систем первого и второго поколения, проведенный в 2015 году, показал, что существуют большие различия во встроенной энергии, чем в эффективности ячеек, а это означает, что в основном это встроенная энергия, которую необходимо уменьшить, чтобы добиться большего снижения EPBT. [59]
В целом, наиболее важным компонентом солнечных панелей, на который приходится большая часть энергопотребления и выбросов парниковых газов, является переработка поликремния. [55] То, какой процент EPBT составляет этот кремний, зависит от типа системы. Полностью автономная система требует дополнительных компонентов («Баланс системы», силовые инверторы , накопители и т. д.), которые значительно увеличивают затраты энергии на производство, но в простой системе на крыше около 90% стоимости энергии приходится на кремний. остальная часть поступает от инверторов и корпуса модуля. [55]
В анализе Alsema et al . с 1998 года время окупаемости энергии для прежней системы в 1997 году превышало 10 лет, тогда как для стандартной системы на крыше EPBT рассчитывался как от 3,5 до 8 лет. [55] [60]
EPBT тесно связан с концепциями чистого прироста энергии (NEG) и возврата энергии за вложенную энергию (EROI). Оба они используются в экономике энергетики и относятся к разнице между энергией, затраченной на сбор источника энергии, и количеством энергии, полученной от этого сбора. NEG и EROI также учитывают срок службы фотоэлектрической системы, и обычно предполагается, что срок службы составляет от 25 до 30 лет. На основании этих показателей путем расчета можно определить время окупаемости энергии . [61] [62]
Фотоэлектрические системы, использующие кристаллический кремний, а большинство систем, используемых на практике, имеют такой высокий показатель EPBT, поскольку кремний производится путем восстановления высококачественного кварцевого песка в электрических печах . Этот процесс плавки кокса происходит при высоких температурах, превышающих 1000 °C, и является очень энергоемким: на каждый произведенный килограмм кремния расходуется около 11 киловатт-часов (кВтч). [63] Энергетические потребности этого процесса делают затраты энергии на единицу произведенного кремния относительно неэластичными, а это означает, что сам производственный процесс не станет более эффективным в будущем.
Тем не менее, время окупаемости энергии значительно сократилось за последние годы, поскольку кристаллические кремниевые элементы стали все более эффективно преобразовывать солнечный свет, а толщина материала пластины постоянно уменьшалась и, следовательно, для ее изготовления требовалось меньше кремния. За последние десять лет количество кремния, используемого для солнечных элементов, снизилось с 16 до 6 граммов на пиковый ватт . За тот же период толщина пластины c-Si была уменьшена с 300 мкм или микрон примерно до 160–190 мкм. Технологии распиловки слитков кристаллического кремния на пластины также улучшились за счет уменьшения потерь при пропиле и упрощения переработки кремниевых опилок. [64] [65]
Модули из кристаллического кремния являются наиболее широко изученным типом фотоэлектрических модулей с точки зрения LCA, поскольку они наиболее часто используются. Фотоэлектрические системы из монокристаллического кремния (моно-си) имеют средний КПД 14,0%. [67] Ячейки, как правило, имеют структуру, состоящую из переднего электрода, антиотражающей пленки, n-слоя, p-слоя и заднего электрода, при этом солнце падает на передний электрод. ЭПБТ составляет от 1,7 до 2,7 лет. [68] Отношение CO 2 -экв/кВтч составляет от 37,3 до 72,2 грамма при установке в Южной Европе. [69]
Методы производства фотоэлектрических элементов из мультикристаллического кремния (мульти-си) проще и дешевле, чем моно-си, однако, как правило, они производят менее эффективные элементы, в среднем на 13,2%. [67] EPBT колеблется от 1,5 до 2,6 лет. [68] При установке в Южной Европе соотношение CO 2 -экв/кВтч составляет от 28,5 до 69 граммов. [69]
Если предположить, что в следующих странах имеется высококачественная сетевая инфраструктура, как в Европе, в 2020 году было подсчитано, что в Оттаве , Канада, фотоэлектрической системе на крыше потребуется 1,28 года , чтобы произвести такое же количество энергии, которое требуется для производства кремния в модули в нем (без учета серебра, стекла, креплений и других компонентов) — 0,97 года в Катании , Италия , и 0,4 года в Джайпуре , Индия. За пределами Европы, где чистая эффективность сети ниже, это займет больше времени. Это « время окупаемости энергии » можно рассматривать как часть времени в течение полезного срока службы модуля, в течение которого производство энергии является загрязняющим. В лучшем случае это означает, что 30-летняя панель производит чистую энергию в течение 97% своего срока службы или что кремний в модулях солнечной панели производит на 97% меньше выбросов парниковых газов, чем угольная электростанция за тот же период. количество энергии (предполагая и игнорируя многие вещи). [56] В некоторых исследованиях помимо EPBT и GWP рассматривались и другие воздействия на окружающую среду. В одном из таких исследований традиционная структура энергетики в Греции сравнивалась с фотоэлектрическими мульти-си и обнаружила общее снижение на 95% таких эффектов, как канцерогены, экотоксичность, подкисление, эвтрофикацию и одиннадцать других. [70]
Теллурид кадмия (CdTe) — один из наиболее быстро развивающихся солнечных элементов на основе тонких пленок , известных под общим названием «устройства второго поколения». Это новое тонкопленочное устройство также имеет те же ограничения производительности ( предел эффективности Шокли-Кейсера ), что и обычные кремниевые устройства, но обещает снизить стоимость каждого устройства за счет снижения потребления материалов и энергии во время производства. В 2008 году доля CdTe на мировом рынке составила 4,7%. [53] Самый высокий КПД преобразования энергии этой технологии составляет 21%. [71] 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 меньших затрат энергии при производстве, чем другие коммерческие фотоэлектрические системы на единицу производства электроэнергии. Среднее содержание 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. [72]
Фотоэлектрические батареи третьего поколения созданы для того, чтобы объединить преимущества устройств первого и второго поколения, и у них нет предела Шокли-Кейссера , теоретического предела для фотоэлектрических элементов первого и второго поколения. Толщина устройства третьего поколения составляет менее 1 мкм. [73]
Двумя новыми многообещающими технологиями производства тонких пленок являются сульфид меди-цинка-олова (Cu 2 ZnSnS 4 или CZTS), [54] фосфид цинка (Zn 3 P 2 ) [54] и одностенные углеродные нанотрубки (SWCNT). [74] Эти тонкие пленки в настоящее время производятся только в лаборатории, но в будущем могут быть коммерциализированы. Ожидается, что процессы производства CZTS и (Zn 3 P 2 ) будут аналогичны современным технологиям производства тонких пленок CIGS и CdTe соответственно. Ожидается, что поглотительный слой SWCNT PV будет синтезирован методом CoMoCAT. [75] В отличие от устоявшихся тонких пленок, таких как CIGS и CdTe, CZTS, Zn 3 P 2 и SWCNT, фотоэлектрические панели изготовлены из распространенных в земле нетоксичных материалов и потенциально могут производить больше электроэнергии в год, чем текущее мировое потребление. [76] [77] Хотя CZTS и Zn 3 P 2 предлагают хорошие перспективы 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 грамм CO 2 -экв/кВтч, тогда как их соответствующие EPBT были обнаружены через 1,85 и 0,78 года соответственно. [54] В целом, CdTe и Zn 3 P 2 оказывают схожее воздействие на окружающую среду, но могут немного превосходить CIGS и CZTS. [54] Исследование воздействия фотоэлектрических элементов SWCNT на окружающую среду, проведенное Celik et al., включая существующее устройство с эффективностью 1% и теоретическое устройство с эффективностью 28%, показало, что по сравнению с монокристаллическим кремнием воздействие на окружающую среду от 1% SWCNT составило ~ 18 раз выше, главным образом, из-за короткого срока службы, составляющего три года. [74]
За прошедшие годы произошли серьезные изменения в основных затратах, структуре отрасли и рыночных ценах на технологии солнечной фотоэлектрической энергии, и получение целостной картины изменений, происходящих во всей цепочке создания стоимости отрасли во всем мире, является непростой задачей. Это связано с: «быстротой изменений 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 различные каналы распределения и различия между региональными рынками, на которых используется фотоэлектрическая энергия». Дополнительные сложности возникают из-за множества различных инициатив политической поддержки, которые были реализованы для облегчения коммерциализации фотоэлектрической энергии в различных странах. [2]
Технологии возобновляемых источников энергии в целом стали дешевле с момента их изобретения. [79] [80] [81] Возобновляемые энергетические системы стали дешевле строить, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе, во многих странах мира, в частности, благодаря достижениям в области технологий ветровой и солнечной энергии. [82]
В 1977 году цены на солнечные элементы из кристаллического кремния составляли 76,67 долларов за Вт. [84]
Хотя оптовые цены на модули оставались на уровне около 3,50–4 долларов США за Вт в начале 2000-х годов из-за высокого спроса в Германии и Испании, вызванного щедрыми субсидиями и нехваткой поликремния, спрос упал с резким прекращением субсидий в Испании после рыночного краха 2008 года. и цена быстро упала до 2 долларов США за Вт. Производителям удалось сохранить положительную операционную прибыль, несмотря на 50-процентное падение доходов благодаря инновациям и сокращению затрат. В конце 2011 года заводские цены на фотоэлектрические модули из кристаллического кремния внезапно упали ниже отметки в 1 доллар США за Вт, что застало многих представителей отрасли врасплох и привело к банкротству ряда компаний-производителей солнечной энергии по всему миру. Стоимость $1,00/Вт часто рассматривается в фотоэлектрической отрасли как достижение паритета энергосетей для фотоэлектрических систем, но большинство экспертов не верят, что эта цена является устойчивой. Технологические достижения, усовершенствование производственного процесса и реструктуризация отрасли могут означать, что дальнейшее снижение цен возможно. [2] Средняя розничная цена солнечных элементов, отслеживаемая группой Solarbuzz, в течение 2011 года упала с $3,50/ватт до $2,43/ватт. [85] В 2013 году оптовые цены упали до $0,74/Вт. [84] Это было приведено в качестве доказательства в поддержку « закона Суонсона », наблюдения, аналогичного знаменитому закону Мура , который утверждает, что цены на солнечные элементы падают на 20% при каждом удвоении производственных мощностей. [84] Институт Фраунгофера определяет «скорость обучения» как падение цен по мере удвоения совокупного производства, примерно на 25% в период с 1980 по 2010 год. Хотя цены на модули быстро упали, текущие цены на инверторы падали гораздо меньшими темпами. , а в 2019 году они составляют более 61% стоимости кВт по сравнению с четвертью в начале 2000-х годов. [56]
Обратите внимание, что цены, упомянутые выше, относятся к «голым» модулям. Другой способ определения цен на модули — включить затраты на установку. В США, по данным Ассоциации производителей солнечной энергии, цена установленных на крыше фотоэлектрических модулей для домовладельцев упала с 9,00 долларов США/Вт в 2006 году до 5,46 долларов США/Вт в 2011 году. С учетом цен, уплачиваемых промышленными установками, национальная цена установки снижается до 3,45 долларов США. /В. Это заметно выше, чем в других странах мира: в Германии стоимость установки домовладельцев на крыше в среднем составляет 2,24 доллара США за Вт. Считается, что разница в стоимости в первую очередь основана на более высоком нормативном бремени и отсутствии национальной солнечной политики в США. [86]
К концу 2012 года стоимость производства самых дешевых модулей у китайских производителей составляла 0,50 доллара США/Вт. [87] На некоторых рынках дистрибьюторы этих модулей могут заработать значительную прибыль, покупая по заводской цене и продавая по самой высокой цене, которую может поддерживать рынок («ценообразование на основе стоимости»). [2]
В Калифорнии фотоэлектрическая энергия достигла сетевого паритета в 2011 году, который обычно определяется как затраты на производство фотоэлектрической энергии на уровне или ниже розничных цен на электроэнергию (хотя часто все еще выше цен электростанций на угольную или газовую генерацию без учета затрат на их распределение и других расходов). [88] В 2014 году сетевой паритет был достигнут на 19 рынках. [89] [90]
Нормированная стоимость электроэнергии (LCOE) — это стоимость за кВтч, основанная на затратах, распределенных на протяжении всего срока действия проекта, и считается лучшим показателем для расчета жизнеспособности, чем цена за мощность. LCOE сильно различаются в зависимости от местоположения. [2] LCOE можно считать минимальной ценой, которую потребители должны будут заплатить коммунальной компании, чтобы она окупилась от инвестиций в новую электростанцию. [4] Паритет сети примерно достигается, когда LCOE падает до цены, аналогичной цене обычных местных сетей, хотя на самом деле расчеты не сопоставимы напрямую. [91] Крупные промышленные фотоэлектрические установки достигли сетевого паритета в Калифорнии в 2011 году. [81] [91] В то время считалось, что сетевой паритет для систем на крышах еще далеко. [91] Многие расчеты LCOE не считаются точными, и требуется большое количество допущений. [2] [91] Цены на модули могут еще больше упасть, и LCOE для солнечной энергии может соответственно упасть в будущем. [92]
Поскольку потребности в энергии растут и падают в течение дня, а солнечная энергия ограничена тем фактом, что солнце садится, компании, занимающиеся солнечной энергетикой, также должны учитывать дополнительные затраты на поставку более стабильных альтернативных источников энергии в сеть, чтобы обеспечить стабилизировать систему или каким-то образом сохранить энергию (современная технология аккумуляторов не может хранить достаточно энергии). Эти затраты не учитываются в расчетах LCOE, а также не учитываются специальные субсидии или премии, которые могут сделать покупку солнечной энергии более привлекательной. [4] Серьезной проблемой является ненадежность и временные колебания в производстве солнечной и ветровой энергии. Слишком большое количество этих нестабильных источников энергии может вызвать нестабильность всей сети. [93]
По состоянию на 2017 год цены по соглашениям о покупке электроэнергии для солнечных электростанций ниже 0,05 доллара за кВтч являются обычным явлением в Соединенных Штатах, а самые низкие цены в некоторых странах Персидского залива составляли около 0,03 доллара за кВтч. [94] Целью Министерства энергетики США является достижение приведенной стоимости энергии для солнечных фотоэлектрических систем на уровне 0,03 доллара США за киловатт-час для коммунальных предприятий. [95]
Финансовые стимулы для фотоэлектрической энергетики , такие как «зеленые тарифы» (FIT), часто предлагались потребителям электроэнергии для установки и эксплуатации солнечных электрогенерирующих систем, а в некоторых странах такие субсидии являются единственным способом, с помощью которого фотоэлектрическая энергия может оставаться экономически прибыльной. В Германии субсидии FIT обычно примерно на 0,13 евро превышают обычную розничную цену за кВтч (0,05 евро). [96] PV FIT сыграли решающую роль в освоении отрасли и по состоянию на 2011 год были доступны потребителям в более чем 50 странах. Германия и Испания были наиболее важными странами в плане предоставления субсидий для фотоэлектрических систем, и политика этих стран обусловленный спросом в прошлом. [2] Некоторые американские компании-производители солнечных элементов неоднократно жаловались, что снижение цен на фотоэлектрические модули было достигнуто из-за субсидий со стороны правительства Китая и демпинга этой продукции по ценам ниже справедливых рыночных. Американские производители обычно рекомендуют высокие тарифы на зарубежные поставки, чтобы они могли оставаться прибыльными. В ответ на эти опасения администрация Обамы в 2012 году начала вводить пошлины на американских потребителей этой продукции, чтобы поднять цены для отечественных производителей. [2] США, однако, также субсидируют эту отрасль, предлагая потребителям 30% федеральную налоговую льготу на покупку модулей. На Гавайях федеральные субсидии и субсидии штата позволяют сократить до двух третей затрат на установку. [86]
Некоторые защитники окружающей среды продвигают идею о том, что государственные стимулы следует использовать для расширения промышленности по производству фотоэлектрических систем, чтобы гораздо быстрее снизить затраты на электроэнергию, вырабатываемую фотоэлектрическими модулями, до уровня, на котором она сможет конкурировать с ископаемым топливом на свободном рынке. Это основано на теории, согласно которой, когда производственные мощности удвоятся, эффект масштаба приведет к падению цен на солнечную продукцию вдвое. [4]
Во многих странах отсутствует доступ к капиталу для разработки фотоэлектрических проектов. Чтобы решить эту проблему, была предложена секьюритизация для ускорения развития проектов солнечной фотоэлектрической энергетики. [88] [97] Например, SolarCity предложила первую в США ценную бумагу, обеспеченную активами в солнечной отрасли, в 2013 году. [98]
Фотоэлектрическая энергия также генерируется в то время суток, которое близко к пиковой нагрузке (предшествует ей) в электроэнергетических системах с интенсивным использованием систем кондиционирования воздуха. Поскольку крупномасштабная фотоэлектрическая работа требует резервного копирования в виде вращающихся резервов, ее предельная стоимость генерации в середине дня обычно самая низкая, но не равна нулю, когда фотоэлектрическая энергия вырабатывает электроэнергию. Это можно увидеть на рисунке 1 настоящей статьи: [99] В жилых объектах с частными фотоэлектрическими установками, подключенными к сети, владелец может заработать дополнительные деньги, если включить время выработки, поскольку электроэнергия днем стоит дороже, чем ночью. [100]
В 2012 году один журналист предположил, что, если бы счета американцев за электроэнергию были вынуждены повыситься за счет введения дополнительного налога в размере 50 долларов США за тонну на выбросы углекислого газа от угольных электростанций, это могло бы позволить солнечной фотоэлектрической энергии стать более конкурентоспособной по цене для потребителей в большинстве стран мира. локации. [85]
Солнечная фотоэлектрическая энергия сформировала самый крупный объем исследований среди семи типов устойчивой энергетики, рассмотренных в глобальном библиометрическом исследовании, при этом годовой объем научных публикаций вырос с 9094 публикаций в 2011 году до 14 447 публикаций в 2019 году. [101]
Аналогичным образом, применение солнечной фотоэлектрической энергии быстро растет, и в апреле 2022 года установленная мощность во всем мире достигла одного тераватта. [102] Общая выработка мировой фотоэлектрической мощности за календарный год в настоящее время превышает 500 ТВтч электроэнергии. Это составляет 2% мирового спроса на электроэнергию. Более 100 стран , таких как Бразилия и Индия , используют солнечные фотоэлектрические системы. [103] [104] За Китаем следуют США и Япония , а объемы установки в Германии , когда-то крупнейшем в мире производителе, замедляются.
В 2019 году Гондурас произвел самый высокий процент своей энергии за счет солнечной энергии — 14,8%. [105] По состоянию на 2019 год Вьетнам имеет самую высокую установленную мощность в Юго-Восточной Азии — около 4,5 ГВт. [106] Годовой уровень установки около 90 Вт на душу населения в год ставит Вьетнам в число мировых лидеров. [106] Щедрые льготные тарифы (FIT) и политика государственной поддержки, такая как налоговые льготы, были ключом к обеспечению бума солнечной фотоэлектрической энергии во Вьетнаме. В число основных движущих сил входят желание правительства повысить энергетическую самодостаточность и требования общественности к качеству местной окружающей среды. [106]
Ключевым барьером является ограниченная пропускная способность сети электропередачи. [106]
По данным Международного энергетического агентства, Китай обладает крупнейшими в мире мощностями солнечной энергетики: в 2022 году установленная мощность составит 390 ГВт по сравнению с примерно 200 ГВт в Европейском Союзе. [107] Другие страны с крупнейшими в мире мощностями солнечной энергетики включают США, Японию и Германию.
В 2017 году считалось вероятным, что к 2030 году глобальная установленная мощность фотоэлектрических систем может составить от 3000 до 10 000 ГВт. [94] В 2010 году Гринпис заявил, что к 2030 году 1845 ГВт фотоэлектрических систем во всем мире смогут генерировать примерно 2646 ТВтч/год электроэнергии, а к 2050 году более 20% всей электроэнергии будет обеспечиваться с помощью фотоэлектрических систем. [109]
Существует множество практических применений использования солнечных панелей или фотогальваники, охватывающих все технологические области под солнцем. От полей сельскохозяйственной промышленности в качестве источника энергии для орошения до его использования в отдаленных медицинских учреждениях для охлаждения медикаментов. Другие приложения включают производство электроэнергии в различных масштабах и попытки интегрировать их в дома и общественную инфраструктуру. Фотоэлектрические модули используются в фотоэлектрических системах и включают в себя большое разнообразие электрических устройств.
Фотоэлектрическая система или солнечная фотоэлектрическая система — это энергосистема, предназначенная для подачи полезной солнечной энергии с помощью фотогальваники. Он состоит из нескольких компонентов, включая солнечные панели для поглощения и прямого преобразования солнечного света в электричество, солнечный инвертор для преобразования электрического тока с постоянного на переменный, а также монтажные, кабельные и другие электрические аксессуары. Фотоэлектрические системы варьируются от небольших, монтируемых на крыше или интегрированных в здания систем мощностью от нескольких до нескольких десятков киловатт до крупных электростанций коммунального масштаба мощностью в сотни мегаватт . В настоящее время большинство фотоэлектрических систем подключены к сети , в то время как автономные системы занимают лишь небольшую часть рынка.
Фотосенсоры — это датчики света или другого электромагнитного излучения . [110] Фотодетектор имеет p–n-переход , который преобразует световые фотоны в ток. Поглощенные фотоны образуют электрон-дырочные пары в области обеднения . Фотодиоды и фототранзисторы — вот несколько примеров фотодетекторов. Солнечные элементы преобразуют часть поглощенной световой энергии в электрическую энергию.
Фотоэлектрические элементы из кристаллического кремния — это лишь один тип фотоэлектрических систем, 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 энергетических потребностей. По состоянию на 2018 год технология кристаллических кремниевых элементов служит основой для нескольких типов фотоэлектрических модулей, включая монокристаллические, мультикристаллические, моно-PERC и двусторонние. [111]
Еще одна новая технология — тонкопленочные фотоэлектрические элементы — производятся путем нанесения полупроводниковых слоев перовскита , минерала с полупроводниковыми свойствами, на подложку в вакууме. Подложкой часто является стекло или нержавеющая сталь, и эти полупроводниковые слои изготовлены из многих типов материалов, включая теллурид кадмия (CdTe), диселенид меди-индия (CIS), диселенид меди-индия-галлия (CIGS) и аморфный кремний (a-Si). ). После осаждения на подложку полупроводниковые слои разделяются и соединяются электрической цепью посредством лазерного скрайбирования. [112] [113] Перовскитные солнечные элементы являются очень эффективным преобразователем солнечной энергии и обладают превосходными оптоэлектронными свойствами для фотоэлектрических целей, но их масштабирование от ячеек лабораторного размера до модулей большой площади все еще находится в стадии исследования. [114] Тонкопленочные фотоэлектрические материалы, возможно, станут привлекательными в будущем из-за снижения требований к материалам и стоимости производства модулей, состоящих из тонких пленок, по сравнению с пластинами на основе кремния. [115] В 2019 году университетские лаборатории в Оксфорде, Стэнфорде и других местах сообщили о перовскитных солнечных элементах с эффективностью 20–25%. [116]
Селенид меди-индия-галлия (CIGS) представляет собой тонкопленочный солнечный элемент на основе семейства диселенида меди-индия (CIS) халькопиритовых полупроводников . CIS и CIGS часто используются как взаимозаменяемые в сообществе CIS/CIGS. Структура ячейки включает натриево-известковое стекло в качестве подложки, слой Mo в качестве заднего контакта, CIS/CIGS в качестве поглотительного слоя, сульфид кадмия (CdS) или Zn (S,OH)x в качестве буферного слоя и ZnO:Al в качестве буферного слоя. передний контакт. [117] CIGS составляет примерно 1/100 толщины традиционных кремниевых солнечных батарей. Материалы, необходимые для сборки, легко доступны и стоят дешевле на ватт солнечного элемента. Солнечные устройства на основе CIGS устойчивы к ухудшению производительности с течением времени и очень стабильны в полевых условиях.
Заявленное потенциальное воздействие CIGS на глобальное потепление колеблется в пределах 20,5–58,8 граммов CO 2 -экв/кВтч электроэнергии, вырабатываемой при разном солнечном облучении (от 1700 до 2200 кВтч/м 2 /год) и эффективности преобразования энергии (7,8 – 9,12%). [118] EPBT колеблется от 0,2 до 1,4 года, [72] в то время как согласованное значение EPBT было установлено в 1,393 года. [59] Токсичность является проблемой буферного слоя модулей CIGS, поскольку он содержит кадмий и галлий. [54] [119] Модули CIS не содержат тяжелых металлов.
Перовскитный солнечный элемент (PSC) — это тип солнечного элемента , который включает в себя соединение со структурой перовскита , чаще всего гибридный органо-неорганический материал на основе галогенида свинца или олова , в качестве светособирающего активного слоя. [120] [121] Перовскитные материалы, такие как галогениды свинца метиламмония и полностью неорганический галогенид свинца цезия, дешевы в производстве и просты в производстве.
КПД солнечных элементов в устройствах лабораторного масштаба, использующих эти материалы, увеличился с 3,8% в 2009 году [122] до 25,7% в 2021 году в однопереходных архитектурах, [123] [124] и в тандемных элементах на основе кремния до 29,8. %, [123] [125] превышая максимальный КПД, достигнутый в однопереходных кремниевых солнечных элементах. Таким образом, по состоянию на 2016 год солнечные элементы на основе перовскита были самой быстроразвивающейся солнечной технологией [обновлять]. [120] Благодаря потенциалу достижения еще более высокой эффективности и очень низких производственных затрат перовскитные солнечные элементы стали коммерчески привлекательными. К основным проблемам и предметам исследований относятся их краткосрочная и долгосрочная стабильность. [126]Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSC) — это новый тонкопленочный солнечный элемент. Эти солнечные элементы работают при окружающем освещении лучше, чем другие фотоэлектрические технологии. Они работают с поглощением света сенсибилизирующим красителем между двумя материалами, переносящими заряд. Краситель окружает наночастицы TiO 2 , находящиеся в спеченной сетке. [127] TiO 2 действует как зона проводимости в полупроводнике n-типа; каркас для украшенных молекул красителя и переносит выборы во время возбуждения. Для технологии ДСК TiO 2 подготовка проб при высоких температурах очень эффективна, поскольку более высокие температуры обеспечивают более подходящие текстурные свойства. Другим примером ДСК является комплекс меди с Cu (II/I) в качестве окислительно-восстановительного челнока с TMBY (4,4',6,6'-тетраметил-2,2'-бипиридин). DSC показывают отличные результаты при искусственном и внутреннем освещении. В диапазоне от 200 до 2000 люкс эти элементы работают с максимальной эффективностью 29,7%. [128]
Однако были проблемы с ДСК, многие из которых происходят из-за жидкого электролита. Растворитель опасен и проникает в большинство пластиков. Поскольку он жидкий, он неустойчив к изменениям температуры, что приводит к замерзанию при низких температурах и расширению при высоких температурах, что приводит к поломке. [129] Еще одним недостатком является то, что солнечный элемент не идеален для крупномасштабного применения из-за его низкой эффективности. Некоторые из преимуществ ДСК заключаются в том, что его можно использовать при различных уровнях освещенности (включая облачные условия), он имеет низкую стоимость производства и не разрушается под воздействием солнечного света, что обеспечивает более длительный срок службы по сравнению с другими типами тонких пленок. солнечные батареи.
Другие возможные будущие фотоэлектрические технологии включают органические, сенсибилизированные красителями и фотоэлектрические технологии на квантовых точках. [130] Органические фотоэлектрические элементы (OPV) относятся к категории тонкопленочных производств и обычно работают в диапазоне эффективности 12%, что ниже, чем 12–21%, обычно наблюдаемые у фотоэлектрических модулей на основе кремния. Поскольку органические фотоэлектрические элементы требуют очень высокой чистоты и относительно реакционноспособны, их необходимо инкапсулировать, что значительно увеличивает стоимость производства и означает, что их невозможно масштабировать. Сенсибилизированные красителем PV аналогичны по эффективности OPV, но их значительно проще производить. Однако эти фотогальванические элементы, сенсибилизированные красителями, создают проблемы при хранении, поскольку жидкий электролит токсичен и потенциально может проникать в пластик, используемый в элементе. Солнечные элементы на квантовых точках обрабатываются в растворе, что означает, что они потенциально масштабируемы, но в настоящее время их максимальная эффективность составляет 12%. [114]
Органические и полимерные фотоэлектрические системы (ОПВ) — относительно новая область исследований. Традиционные слои структуры ячейки OPV состоят из полупрозрачного электрода, слоя блокировки электронов, туннельного перехода, слоя блокировки дырок, электрода, на прозрачный электрод которого попадает солнце. OPV заменяет серебро углеродом в качестве материала электродов, что снижает производственные затраты и делает их более экологически чистыми. [131] OPV отличаются гибкостью, малым весом и хорошо подходят для серийного производства. [132] OPV использует «только богатые элементы в сочетании с чрезвычайно низким содержанием энергии за счет очень низких температур обработки, используя только условия окружающей среды на простом печатном оборудовании, обеспечивающем время окупаемости энергии». [133] КПД по току находится в диапазоне 1–6,5%, [57] [134] , однако теоретический анализ показывает многообещающую эффективность, превышающую 10%. [133]
Существует множество различных конфигураций OPV, в которых для каждого слоя используются разные материалы. 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 с эффективностью 2%, EPBT варьировался от 0,29 до 0,52 года на 1 м 2 фотоэлектрических систем. [135] Среднее содержание CO 2 -экв/кВтч для OPV составляет 54,922 грамма. [136]
Термофотоэлектрическое преобразование энергии (TPV) — это процесс прямого преобразования тепла в электричество посредством фотонов . Базовая термофотоэлектрическая система состоит из горячего объекта, излучающего тепловое излучение, и фотоэлектрического элемента, аналогичного солнечному элементу, но настроенного на спектр , принимаемый [sic] от горячего объекта. [137]
Поскольку системы TPV обычно работают при более низких температурах, чем солнечные элементы, их эффективность обычно низкая. Компенсировать это за счет использования многопереходных ячеек на основе некремниевых материалов является обычным, но, как правило, очень дорогим. В настоящее время это ограничивает TPV нишевыми функциями, такими как энергетика космических кораблей и сбор отработанного тепла от более крупных систем, таких как паровые турбины .В башне также можно установить несколько солнечных модулей вертикально друг над другом, если зенитное расстояние Солнца больше нуля, а башню можно повернуть 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 представляет собой среднюю ось прямоугольной солнечной панели. В случае, если зенитное расстояние Солнца достигает нуля, «лестницу» можно повернуть на север или юг, чтобы солнечный модуль не создавал тень на нижнем. Вместо строго вертикальной башни можно выбрать башню, ось которой направлена к полярной звезде , то есть параллельна оси вращения Земли . В этом случае угол между осью и Солнцем всегда больше 66 градусов. В течение дня необходимо лишь поворачивать панели вокруг этой оси, чтобы следовать за Солнцем. Установки могут быть установлены на земле (а иногда и интегрированы в сельское хозяйство и выпас скота) [138] или встроены в крышу или стены здания ( фотоэлектрические системы, интегрированные в здание ).
Там, где площадь земли ограничена, фотоэлектрические системы можно использовать в качестве плавучих солнечных батарей . В 2008 году винодельня Far Niente стала пионером в использовании первой в мире «плаватоэлектрической» системы, установив 994 фотоэлектрических солнечных панели на 130 понтонов и спустив их на оросительный пруд винодельни. [139] [140] Преимуществом установки является то, что панели поддерживаются при более низкой температуре, чем на суше, что приводит к более высокой эффективности преобразования солнечной энергии. Плавающие панели также уменьшают количество воды, теряемой в результате испарения, и подавляют рост водорослей. [141]
Концентраторная фотоэлектрическая технология — это технология, которая, в отличие от традиционных плоских фотоэлектрических систем, использует линзы и изогнутые зеркала для фокусировки солнечного света на небольших, но высокоэффективных многопереходных солнечных элементах. В этих системах иногда используются солнечные трекеры и система охлаждения для повышения их эффективности.
В 2019 году мировой рекорд эффективности солнечных элементов в 47,1% был достигнут за счет использования солнечных элементов многопереходного концентратора , разработанных в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, Колорадо, США. [142] Наивысшая эффективность, достигнутая без концентрации, включает материал Sharp Corporation (35,8%) с использованием запатентованной технологии производства с тройным соединением в 2009 году, [143] и Boeing Spectrolab (40,7% также с использованием трехслойной конструкции).
Постоянно предпринимаются усилия по повышению эффективности преобразования фотоэлектрических элементов и модулей, прежде всего для получения конкурентных преимуществ. Чтобы повысить эффективность солнечных элементов, важно выбрать полупроводниковый материал с соответствующей запрещенной зоной , соответствующей солнечному спектру. Это улучшит электрические и оптические свойства. Улучшение метода сбора заряда также полезно для повышения эффективности. В разработке находится несколько групп материалов. Приборы сверхвысокого КПД (η>30%) [144] изготавливаются с использованием полупроводников GaAs и GaInP2 с многопереходными тандемными ячейками. Высококачественные монокристаллические кремниевые материалы используются для создания высокоэффективных и недорогих элементов (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. [145] На сегодняшний день самый высокий зарегистрированный КПД преобразования энергии колеблется в пределах 6,7–8,94% для малых молекул, 8,4–10,6% для полимерных ОПВ и 7–21% для перовскитных ОПВ. [146] [147] Ожидается, что OPV будут играть важную роль на рынке фотоэлектрических систем. Недавние улучшения повысили эффективность и снизили стоимость, оставаясь при этом экологически безопасными и возобновляемыми.
Несколько компаний начали встраивать оптимизаторы мощности в фотоэлектрические модули, называемые интеллектуальными модулями . Эти модули выполняют отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) для каждого модуля индивидуально, измеряют данные о производительности для мониторинга и обеспечивают дополнительные функции безопасности. Такие модули также могут компенсировать эффекты затенения, при которых тень, падающая на секцию модуля, приводит к уменьшению электрического выхода одной или нескольких цепочек ячеек в модуле. [148]
Одной из основных причин снижения производительности клеток является перегрев. Эффективность солнечного элемента снижается примерно на 0,5% при повышении температуры на каждый градус Цельсия. Это означает, что повышение температуры поверхности на 100 градусов может снизить эффективность солнечного элемента примерно вдвое. Самоохлаждающиеся солнечные элементы являются одним из решений этой проблемы. Вместо того, чтобы использовать энергию для охлаждения поверхности, из кремнезема можно сформировать пирамиды и конусы и прикрепить их к поверхности солнечной панели. Это позволяет видимому свету достигать солнечных элементов , но отражает инфракрасные лучи (которые переносят тепло). [149]
Солнечного света мощностью 122 ПВт , достигающего поверхности Земли, достаточно – почти в 10 000 раз больше, чем эквивалент средней мощности в 13 ТВт, потребляемой людьми в 2005 году. [150] Такое изобилие позволяет предположить, что совсем скоро солнечная энергия станет основным источником энергии в мире. [151] Кроме того, солнечное излучение имеет самую высокую плотность мощности (в среднем 170 Вт/м 2 ) среди возобновляемых источников энергии. [150] [ нужна ссылка ]
Солнечная энергия не загрязняет окружающую среду во время использования, что позволяет сократить загрязнение окружающей среды при замене других источников энергии. Например, по оценкам Массачусетского технологического института , 52 000 человек в год преждевременно умирают в США из-за загрязнения угольных электростанций [152] , и все эти смерти, кроме одной, можно было бы предотвратить, используя фотоэлектрические системы для замены угля. [153] [154] Конечные производственные отходы и выбросы можно контролировать с помощью существующих средств контроля загрязнения. Технологии вторичной переработки отходов находятся в стадии разработки [155] , и разрабатывается политика, поощряющая переработку отходов производителями. [156]
В идеале фотоэлектрические установки могут работать в течение 100 лет или даже более [157] с минимальным обслуживанием или вмешательством после их первоначальной установки, поэтому после первоначальных капитальных затрат на строительство любой солнечной электростанции эксплуатационные затраты чрезвычайно низки по сравнению с существующими энергетическими технологиями.
Солнечная электроэнергия, подключенная к сети, может использоваться локально, что снижает потери при передаче/распределении (потери при передаче в США в 1995 году составляли примерно 7,2%). [158]
По сравнению с ископаемыми и ядерными источниками энергии, в разработку солнечных элементов было вложено очень мало средств на исследования, поэтому есть значительные возможности для улучшения. Тем не менее, экспериментальные высокоэффективные солнечные элементы уже имеют эффективность более 40% в случае концентрирующих фотоэлектрических элементов [159], и эффективность быстро растет, в то время как затраты на массовое производство быстро падают. [160]
В некоторых штатах США большая часть инвестиций в домашнюю систему может быть потеряна, если домовладелец переедет, а покупатель придаст системе меньшую ценность, чем продавец. Город Беркли разработал инновационный метод финансирования, чтобы устранить это ограничение, добавив налоговый сбор, который передается вместе с домом для оплаты солнечных панелей. [161] Теперь известное как PACE , «Чистая энергия с оценкой собственности», это решение было продублировано в 30 штатах США. [162]
Для фотоэлектрических систем на крыше, расположенных за счетчиком, поток энергии становится двусторонним. Когда местное производство превышает потребление, электроэнергия экспортируется в сеть, что позволяет осуществлять чистый учет . Однако электрические сети традиционно не предназначены для двусторонней передачи энергии, что может вызвать технические проблемы. Проблема перенапряжения может возникнуть, когда электроэнергия течет от этих фотоэлектрических домов обратно в сеть. [163] Существуют решения для решения проблемы перенапряжения, такие как регулирование коэффициента мощности фотоэлектрических инверторов, новое оборудование для контроля напряжения и энергии на уровне распределителя электроэнергии, замена электрических проводов, управление спросом и т. д. Часто существуют ограничения. и затраты, связанные с этими решениями.
Высокая выработка в середине дня снижает чистый спрос на выработку, но более высокий пиковый чистый спрос с заходом солнца может потребовать быстрого увеличения мощности электростанций, создавая профиль нагрузки, называемый «утиной кривой» .
Не существует универсального решения в вопросах спроса на электроэнергию или энергию и управления счетами, поскольку клиенты (объекты) имеют разные конкретные ситуации, например, разные потребности в комфорте/удобствах, разные тарифы на электроэнергию или разные модели использования. Тариф на электроэнергию может состоять из нескольких элементов, таких как ежедневная плата за доступ и измерение, плата за электроэнергию (в зависимости от кВтч, МВтч) или плата за пиковую нагрузку (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 объектов, где установлена плата за пиковое потребление, фотоэлектрическая энергия может быть менее привлекательной, если пиковая нагрузка в основном возникает во второй половине дня или в начале вечера, например, в жилых районах. В целом, инвестиции в энергетику – это в основном экономическое решение, и лучше принимать инвестиционные решения на основе систематической оценки вариантов улучшения эксплуатации, энергоэффективности, выработки электроэнергии на месте и хранения энергии. [164] [165]
Солнечная фотоэлектрическая энергия: данные с установки площадью 25 м² в Кембриджшире в 2006 году.
{{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь ){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Сравнение времени окупаемости энергии для фотоэлектрических элементов (Alsema, Frankl, Kato, 1998, стр. 5).
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
