Фотоэлектричество ( PV ) -- это преобразование света в электричество с использованием полупроводниковых материалов , которые проявляют фотоэлектрический эффект , явление , изучаемое в физике , фотохимии и электрохимии . Фотоэлектрический эффект используется в коммерческих целях для производства электроэнергии и в качестве фотодатчиков .
Фотоэлектрическая система использует солнечные модули , каждый из которых состоит из ряда солнечных элементов , которые генерируют электроэнергию. Фотоэлектрические установки могут быть наземными, на крыше, настенными или плавающими. Крепление может быть фиксированным или использовать солнечный трекер для отслеживания солнца по небу.
Фотоэлектрическая технология помогает смягчить изменение климата , поскольку она выделяет гораздо меньше углекислого газа , чем ископаемое топливо . Солнечные фотоэлектрические системы имеют определенные преимущества в качестве источника энергии: после установки их работа не создает никаких загрязнений или выбросов парниковых газов ; они демонстрируют масштабируемость в отношении потребностей в энергии, а кремний широко доступен в земной коре, хотя другие материалы, необходимые для производства фотоэлектрических систем, такие как серебро, могут сдерживать дальнейший рост 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 линиям электропередач постоянного тока высокого напряжения , что приводит к дополнительным затратам, а также имеет ряд других конкретных недостатков, таких как переменная генерация электроэнергии, которые должны быть сбалансированы. Производство и установка действительно вызывают некоторое загрязнение и выбросы парниковых газов , хотя это лишь часть выбросов, вызванных ископаемым топливом . [2]
Фотоэлектрические системы уже давно используются в специализированных приложениях в качестве автономных установок, а подключенные к сети фотоэлектрические системы используются с 1990-х годов. [3] Фотоэлектрические модули впервые были массово произведены в 2000 году, когда правительство Германии профинансировало программу на сто тысяч крыш. [4] Снижение затрат позволило фотоэлектрическим модулям вырасти как источнику энергии. Это было частично обусловлено крупными инвестициями правительства Китая в развитие солнечных производственных мощностей с 2000 года и достижением экономии за счет масштаба . Улучшения в производственных технологиях и эффективности также привели к снижению затрат. [5] [6] Чистые измерения и финансовые стимулы, такие как льготные тарифы на подачу электроэнергии, вырабатываемой солнечной энергией, поддержали солнечные фотоэлектрические установки во многих странах. [7] 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 установок во всем мире увеличилась до более чем 1 тераватт (ТВт), что покрывает почти два процента мирового спроса на электроэнергию . [8] После гидро- и ветроэнергетики фотоэлектрические установки являются третьим возобновляемым источником энергии с точки зрения глобальной мощности. В 2022 году Международное энергетическое агентство ожидало роста более чем на 1 ТВт с 2022 по 2027 год. [9] В некоторых случаях фотоэлектрические установки предлагали самый дешевый источник электроэнергии в регионах с высоким солнечным потенциалом, с предложением о цене всего 0,015 долл. США/ кВтч в Катаре в 2023 году . [10] В 2023 году Международное энергетическое агентство заявило в своем Мировом энергетическом прогнозе , что «для проектов с недорогим финансированием, которые используют высококачественные ресурсы, солнечные фотоэлектрические установки теперь являются самым дешевым источником электроэнергии в истории». [11]
Термин «фотовольтаический» 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 батареи ( электрохимического элемента ). Термин «фотовольтаический» используется в английском языке с 1849 года. [12]
В 1989 году Министерство исследований Германии инициировало первую в истории программу финансирования фотоэлектрических крыш (2200 крыш). Программу возглавил Вальтер Сандтнер в Бонне, Германия. [13]
В 1994 году Япония пошла по их стопам и провела аналогичную программу, установив 539 бытовых фотоэлектрических систем. [14] С тех пор многие страны продолжили производить и финансировать фотоэлектрические системы в геометрической прогрессии.
Фотоэлектричество наиболее известно как метод получения электроэнергии с использованием солнечных элементов для преобразования энергии солнца в поток электронов посредством фотоэлектрического эффекта . [15] [16]
Солнечные элементы производят постоянный ток из солнечного света, который может использоваться для питания оборудования или для подзарядки батарей . Первым практическим применением фотоэлектричества было питание орбитальных спутников и других космических аппаратов , но сегодня большинство фотоэлектрических модулей используются для систем, подключенных к сети, для выработки электроэнергии. В этом случае требуется инвертор для преобразования постоянного тока в переменный . Существует также меньший рынок для автономных систем для удаленных жилищ, лодок , транспортных средств для отдыха , электромобилей , придорожных телефонов экстренной связи, дистанционного зондирования и катодной защиты трубопроводов .
Фотоэлектрическая генерация энергии использует солнечные модули, состоящие из ряда солнечных элементов , содержащих полупроводниковый материал. [17] Медные солнечные кабели соединяют модули (кабель модуля), массивы (кабель массива) и подполя. Из-за растущего спроса на возобновляемые источники энергии производство солнечных элементов и фотоэлектрических массивов значительно продвинулось в последние годы. [18] [19] [20]
Элементы требуют защиты от окружающей среды и обычно герметично упакованы в солнечные модули.
Мощность фотоэлектрического модуля измеряется в стандартных условиях испытаний (STC) в «Вт п » ( ватты пиковые ). [21] 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. [22] Коэффициенты мощности солнечных фотоэлектрических батарей обычно составляют менее 25%, если они не связаны с накопителем, что ниже, чем у многих других промышленных источников электроэнергии. [23]
Эффективность солнечного элемента — это часть энергии в виде солнечного света, которую солнечный элемент может преобразовать с помощью фотоэлектрических элементов в электричество .
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 кВт·ч/год при стандартных условиях испытаний, если она подвергается воздействию солнечного излучения 1000 Вт/м 2 в течение 2,74 часов в день при стандартных условиях испытаний. Обычно солнечные панели подвергаются воздействию солнечного света дольше этого времени в течение определенного 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 облачную погоду или когда Солнце находится низко в небе; обычно Солнце находится ниже в небе зимой.
Два зависящих от местоположения фактора, которые влияют на выход солнечных фотоэлектрических систем, — это дисперсия и интенсивность солнечного излучения. Эти две переменные могут значительно различаться в каждой стране. [24] Глобальные регионы с высоким уровнем радиации в течение года — это Ближний Восток, Северное Чили, Австралия, Китай и Юго-Запад США. [24] [25] В высокопроизводительном солнечном регионе, таком как центральный Колорадо, который получает годовую инсоляцию 2000 кВт·ч/м² / год, [26] можно ожидать, что панель будет производить 400 кВт·ч энергии в год. Однако в Мичигане, который получает всего 1400 кВт·ч/м² / год, [26] годовая выработка энергии упадет до 280 кВт·ч для той же панели. В более северных европейских широтах выработка значительно ниже: 175 кВт·ч годовой выработки энергии в южной Англии при тех же условиях. [27]
На эффективность преобразования ячейки влияют несколько факторов, включая ее отражательную способность , термодинамическую эффективность , эффективность разделения носителей заряда , эффективность сбора носителей заряда и эффективность проводимости . [29] [28] Поскольку эти параметры трудно измерить напрямую, вместо этого измеряются другие параметры, включая квантовую эффективность , отношение напряжения холостого хода (V OC ) и § коэффициент заполнения. Потери на отражение учитываются значением квантовой эффективности, поскольку они влияют на «внешнюю квантовую эффективность». Потери на рекомбинацию учитываются значениями квантовой эффективности, отношения V OC и коэффициента заполнения. Резистивные потери в основном учитываются значением коэффициента заполнения, но также вносят вклад в значения квантовой эффективности и отношения V OC .
По состоянию на 2024 год мировой рекорд эффективности солнечных элементов составляет 47,6%, установленный в мае 2022 года Fraunhofer ISE с использованием четырехпереходной концентрирующей фотоэлектрической ячейки (CPV) III-V. [30] Это побило предыдущий рекорд в 47,1%, установленный в 2019 году многопереходными концентраторными солнечными элементами, разработанными в Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) , Голден, Колорадо, США, [31], которые были установлены в лабораторных условиях при чрезвычайно концентрированном свете. Рекорд в реальных условиях также принадлежит NREL, которая разработала трехпереходные ячейки с проверенной эффективностью 39,5%. [32] [33]
Производительность модуля обычно оценивается в стандартных условиях испытаний (STC): освещенность 1000 Вт/м2 , солнечный спектр AM 1,5 и температура модуля 25 °C. [34] Фактическое напряжение и выходной ток модуля изменяются по мере изменения условий освещения, температуры и нагрузки, поэтому никогда не существует одного определенного 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 токоизмерительного клеща постоянного тока или шунта и зарегистрировать, построить график или диаграмму с помощью самописца или регистратора данных.
Для оптимальной производительности солнечная панель должна быть сделана из одинаковых модулей, ориентированных в одном направлении перпендикулярно прямому солнечному свету. Обходные диоды используются для обхода сломанных или затененных панелей и оптимизации выходной мощности. Эти обходные диоды обычно размещаются вдоль групп солнечных элементов для создания непрерывного потока. [35]
Электрические характеристики включают номинальную мощность (P MAX , измеряется в Вт ), напряжение холостого хода (V OC ), ток короткого замыкания (I SC , измеряется в амперах ), максимальное напряжение мощности (V MPP ), максимальный ток мощности (I MPP ), пиковую мощность ( ватт-пик , W p ) и эффективность модуля (%).
Напряжение холостого хода или V OC — это максимальное напряжение, которое может вырабатывать модуль, когда он не подключен к электрической цепи или системе. [36] V OC можно измерить с помощью вольтметра непосредственно на клеммах освещенного модуля или на его отключенном кабеле.
Пиковая мощность, W p , является максимальной выходной мощностью в стандартных условиях тестирования (не максимально возможной выходной мощностью). Типичные модули, которые могут иметь размеры приблизительно 1 на 2 метра (3 фута × 7 футов), будут иметь номинал от 75 Вт до 600 Вт, в зависимости от их эффективности. Во время тестирования тестовые модули сортируются в соответствии с результатами их тестирования, и типичный производитель может оценивать свои модули с шагом 5 Вт и либо оценивать их как +/- 3%, +/-5%, +3/-0% или +5/-0%. [37] [38] [39]
Производительность фотоэлектрического (PV) модуля зависит от условий окружающей среды, в основном от глобальной падающей освещенности G в плоскости модуля. Однако температура T p–n-перехода также влияет на основные электрические параметры: ток короткого замыкания ISC, напряжение холостого хода VOC и максимальную мощность Pmax. В целом известно, что VOC показывает значительную обратную корреляцию с T, в то время как для ISC эта корреляция прямая, но более слабая, так что это увеличение не компенсирует уменьшение VOC. Как следствие, Pmax уменьшается при увеличении T. Эта корреляция между выходной мощностью солнечного элемента и рабочей температурой его перехода зависит от полупроводникового материала и обусловлена влиянием T на концентрацию, время жизни и подвижность собственных носителей, т. е. электронов и зазоров. внутри фотоэлектрического элемента.
Температурная чувствительность обычно описывается температурными коэффициентами, каждый из которых выражает производную параметра, к которому он относится, по отношению к температуре перехода. Значения этих параметров, которые можно найти в любом техническом паспорте фотоэлектрического модуля, следующие:
Методы оценки этих коэффициентов по экспериментальным данным можно найти в литературе. [40]
Способность солнечных модулей выдерживать повреждения, вызванные дождем, градом , сильной снеговой нагрузкой и циклами жары и холода, различается у разных производителей, хотя большинство солнечных панелей на рынке США имеют сертификат UL, что означает, что они прошли испытания на устойчивость к граду. [41]
Потенциально-индуцированная деградация (также называемая ПИД) — это потенциально-индуцированная деградация производительности в кристаллических фотоэлектрических модулях, вызванная так называемыми блуждающими токами. [42] Этот эффект может привести к потере мощности до 30%. [43]
Самая большая проблема для фотоэлектрической технологии — это цена покупки за ватт произведенной электроэнергии. Достижения в области фотоэлектрических технологий привели к процессу «легирования» кремниевой подложки для снижения энергии активации, тем самым делая панель более эффективной в преобразовании фотонов в извлекаемые электроны. [44]
Химические вещества, такие как бор (p-типа), применяются в полупроводниковом кристалле для создания донорных и акцепторных энергетических уровней, существенно более близких к валентной и проводящей зонам. [45] При этом добавление примеси бора позволяет уменьшить 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 комнатных температурах. Это позволяет свободным носителям энергии в проводящей и валентной зонах, тем самым обеспечивая большую конверсию фотонов в электроны.
Выходная мощность фотоэлектрического (PV) устройства со временем уменьшается. Это уменьшение происходит из-за воздействия солнечной радиации, а также других внешних условий. Индекс деградации, который определяется как годовой процент потери выходной мощности, является ключевым фактором в определении долгосрочной производительности фотоэлектрической установки. Чтобы оценить эту деградацию, процент снижения, связанный с каждым из электрических параметров. Индивидуальная деградация фотоэлектрического модуля может существенно повлиять на производительность всей цепочки. Кроме 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 будет все больше отличаться с течением времени, что отрицательно сказывается на общей производительности установки.
В литературе имеется несколько исследований, посвященных анализу деградации мощности модулей на основе различных фотоэлектрических технологий. Согласно недавнему исследованию [46] , деградация кристаллических кремниевых модулей происходит очень регулярно, колеблясь между 0,8% и 1,0% в год.
С другой стороны, если проанализировать производительность тонкопленочных фотоэлектрических модулей, то наблюдается начальный период сильной деградации (который может длиться от нескольких месяцев до двух лет), за которым следует более поздняя стадия, на которой деградация стабилизируется, будучи затем сопоставимой с деградацией кристаллического кремния. [47] Сильные сезонные колебания также наблюдаются в таких тонкопленочных технологиях, поскольку влияние солнечного спектра намного больше. Например, для модулей из аморфного кремния, микроморфного кремния или теллурида кадмия мы говорим о годовых темпах деградации в течение первых лет от 3% до 4%. [48] Однако другие технологии, такие как CIGS, показывают гораздо более низкие темпы деградации, даже в те ранние годы.
В целом производственный процесс создания солнечных фотоэлектрических систем прост в том смысле, что он не требует кульминации многих сложных или движущихся частей. Из-за твердотельной природы фотоэлектрических систем они часто имеют относительно долгий срок службы, где-то от 10 до 30 лет. Чтобы увеличить электрическую мощность фотоэлектрической системы, производитель должен просто добавить больше фотоэлектрических компонентов. Из-за этого для производителей важна экономия за счет масштаба, поскольку затраты снижаются с ростом производительности. [49]
Хотя существует множество типов фотоэлектрических систем, которые считаются эффективными, в 2013 году на долю кристаллических кремниевых фотоэлектрических систем приходилось около 90% мирового производства фотоэлектрических систем. Производство кремниевых фотоэлектрических систем состоит из нескольких этапов. Сначала поликремний обрабатывается из добытого кварца до тех пор, пока он не станет очень чистым (полупроводникового класса). Он расплавляется, когда добавляются небольшие количества бора , элемента III группы, для получения полупроводника p-типа, богатого электронными дырками. Обычно с использованием затравочного кристалла из жидкого поликристалла выращивается слиток этого раствора. Слиток также может быть отлит в форме. Пластины этого полупроводникового материала отрезаются от основного материала проволочными пилами, а затем проходят поверхностное травление перед очисткой. Затем пластины помещаются в печь осаждения паров фосфора, которая наносит очень тонкий слой фосфора, элемента V группы, что создает полупроводниковую поверхность n-типа. Чтобы уменьшить потери энергии, на поверхность добавляется антибликовое покрытие вместе с электрическими контактами. После завершения изготовления ячейки, ячейки соединяются посредством электрической цепи в соответствии с конкретным применением и подготавливаются к отправке и установке. [50]
Солнечная фотоэлектрическая энергия не является полностью «чистой энергией»: производство производит выбросы парниковых газов, материалы, используемые для создания ячеек, потенциально неустойчивы и в конечном итоге закончатся, технология использует токсичные вещества, которые вызывают загрязнение, и не существует жизнеспособных технологий переработки солнечных отходов. [51] Данные, необходимые для исследования их воздействия, иногда подвержены довольно большой неопределенности. Например, стоимость человеческого труда и потребления воды не оцениваются точно из-за отсутствия систематических и точных анализов в научной литературе. [1] Одной из трудностей в определении эффектов, вызванных фотоэлектрическими системами, является определение того, выбрасываются ли отходы в воздух, воду или почву на этапе производства. [52] Оценки жизненного цикла , которые рассматривают все различные эффекты на окружающую среду, начиная от потенциала глобального потепления , загрязнения, истощения водных ресурсов и других, недоступны для фотоэлектрических систем. Вместо этого исследования пытались оценить воздействие и потенциальное воздействие различных типов фотоэлектрических систем, но эти оценки обычно ограничиваются простой оценкой затрат на электроэнергию при производстве и/или транспортировке , поскольку это новые технологии, а общее воздействие на окружающую среду их компонентов и методов утилизации неизвестно, даже для коммерчески доступных солнечных элементов первого поколения , не говоря уже об экспериментальных прототипах, не имеющих коммерческой жизнеспособности. [53]
Таким образом, оценки воздействия фотоэлектрических систем на окружающую среду были сосредоточены на эквивалентах диоксида углерода на кВт·ч или времени окупаемости энергии (EPBT). EPBT описывает временной промежуток, который фотоэлектрической системе необходимо проработать, чтобы выработать то же количество энергии, которое было использовано для ее производства. [54] Другое исследование включает в себя транспортные расходы на энергию в EPBT. [55] EPBT также был определен совершенно иначе как «время, необходимое для компенсации общей возобновляемой и невозобновляемой первичной энергии, требуемой в течение жизненного цикла фотоэлектрической системы» в другом исследовании, которое также включало расходы на установку. [56] Эта амортизация энергии, указанная в годах, также называется безубыточным временем окупаемости энергии . [57] Чем ниже EPBT, тем ниже экологические издержки солнечной энергии . EPBT в значительной степени зависит от места, где установлена фотоэлектрическая система (например, количество доступного солнечного света и эффективность электрической сети) [55] и от типа системы, а именно от ее компонентов. [54]
Обзор оценок EPBT первого и второго поколения фотоэлектрических элементов, проведенный в 2015 году, показал, что существует большая разница во встроенной энергии, чем в эффективности ячеек, что подразумевает, что для большего снижения EPBT необходимо в основном снизить встроенную энергию. [58]
В целом, наиболее важным компонентом солнечных панелей, который отвечает за большую часть потребления энергии и выбросов парниковых газов, является очистка поликремния. [54] Что касается того, какой процент EPBT составляет этот кремний, зависит от типа системы. Полностью автаркическая система требует дополнительных компонентов («Баланс системы», инверторы мощности , хранилище и т. д.), которые значительно увеличивают стоимость энергии на производство, но в простой системе на крыше около 90% стоимости энергии приходится на кремний, а остальное приходится на инверторы и каркас модуля. [54]
В анализе, проведенном Алсемой и др . в 1998 году, срок окупаемости энергии для прежней системы в 1997 году был выше 10 лет, в то время как для стандартной системы на крыше расчетный срок окупаемости составил от 3,5 до 8 лет. [54] [59]
EPBT тесно связан с концепциями чистого прироста энергии (NEG) и энергии, возвращаемой на инвестированную энергию (EROI). Они оба 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 срок службы от 25 до 30 лет. Из этих показателей можно рассчитать время окупаемости энергии . [60] [61]
Фотоэлектрические системы, использующие кристаллический кремний, на сегодняшний день большинство систем, находящихся в практическом использовании, имеют такой высокий EPBT, потому что кремний производится путем восстановления высококачественного кварцевого песка в электрических печах . Этот процесс плавки с использованием кокса происходит при высоких температурах более 1000 °C и является очень энергоемким, используя около 11 киловатт-часов (кВт-ч) на произведенный килограмм кремния. [62] Энергетические потребности этого процесса делают стоимость энергии на единицу произведенного кремния относительно неэластичной, что означает, что сам процесс производства не станет более эффективным в будущем.
Тем не менее, время окупаемости энергии значительно сократилось за последние годы, поскольку кристаллические кремниевые ячейки стали еще более эффективными в преобразовании солнечного света, в то время как толщина материала пластины постоянно уменьшалась и, следовательно, требовалось меньше кремния для ее изготовления. За последние десять лет количество кремния, используемого для солнечных ячеек, сократилось с 16 до 6 граммов на пиковый ватт . За тот же период толщина пластины c-Si была уменьшена с 300 мкм, или микрон , до примерно 160–190 мкм. Методы распиловки , которые разрезают кристаллические кремниевые слитки на пластины, также улучшились за счет снижения потерь при пропиле и облегчения переработки кремниевых опилок. [63] [64]
Модули из кристаллического кремния являются наиболее широко изученным типом PV с точки зрения LCA, поскольку они наиболее часто используются. Монокристаллические кремниевые фотоэлектрические системы (mono-si) имеют среднюю эффективность 14,0%. [66] Ячейки, как правило, следуют структуре переднего электрода, антибликовой пленки, n-слоя, p-слоя и заднего электрода, при этом солнце падает на передний электрод. EPBT составляет от 1,7 до 2,7 лет. [67] От колыбели до затвора CO 2 -экв/кВт·ч составляет от 37,3 до 72,2 грамма при установке в Южной Европе. [68]
Технологии производства фотоэлектрических ячеек из мультикристаллического кремния (мульти-си) проще и дешевле, чем из моно-си, однако, как правило, производят менее эффективные ячейки, в среднем на 13,2%. [66] EPBT составляет от 1,5 до 2,6 лет. [67] От колыбели до затвора CO 2 -экв/кВт·ч составляет от 28,5 до 69 граммов при установке в Южной Европе. [68]
Предполагая, 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 для производства того же количества энергии, которое требуется для производства кремния в модулях в ней (исключая серебро, стекло, крепления и другие компоненты), 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 загрязняет окружающую среду. В лучшем случае это означает, что 30-летняя панель производила чистую энергию в течение 97% своего срока службы или что кремний в модулях солнечной панели производит на 97% меньше выбросов парниковых газов, чем угольная электростанция для того же количества энергии (предполагая и игнорируя многие вещи). [55] Некоторые исследования вышли за рамки EPBT и GWP и рассмотрели другие экологические эффекты. В одном из таких исследований традиционный энергетический микс в Греции сравнивался с много-si PV и было обнаружено 95% общее снижение эффектов, включая канцерогены, экотоксичность, закисление, эвтрофикацию и одиннадцать других. [69]
Теллурид кадмия (CdTe) является одним из наиболее быстрорастущих тонкопленочных солнечных элементов , которые в совокупности известны как устройства второго поколения. Это новое тонкопленочное устройство также имеет схожие ограничения производительности ( предел эффективности Шокли-Квайссера ), как и обычные устройства Si, но обещает снизить стоимость каждого устройства как за счет сокращения потребления материалов, так и энергии во время производства. Доля CdTe на мировом рынке в 2008 году составила 4,7%. [52] Самая высокая эффективность преобразования энергии этой технологии составляет 21%. [70] Структура ячейки включает стеклянную подложку (около 2 мм), прозрачный проводящий слой, буферный слой CdS (50–150 нм), поглотитель CdTe и металлический контактный слой.
Системы CdTe PV требуют меньше энергии на производство, чем другие коммерческие системы PV на единицу вырабатываемой электроэнергии. Средний CO 2 -eq/kWh составляет около 18 граммов (от колыбели до затвора). CdTe имеет самый быстрый EPBT среди всех коммерческих технологий PV, который варьируется от 0,3 до 1,2 лет. [71]
Фотоэлектрические элементы третьего поколения разработаны для объединения преимуществ устройств первого и второго поколений, и они не имеют предела Шокли-Квайссера , теоретического предела для фотоэлектрических элементов первого и второго поколений. Толщина устройства третьего поколения составляет менее 1 мкм. [72]
Две новые перспективные технологии тонких пленок — это сульфид меди, цинка, олова (Cu 2 ZnSnS 4 или CZTS), [53] фосфид цинка (Zn 3 P 2 ) [53] и однослойные углеродные нанотрубки (SWCNT). [73] Эти тонкие пленки в настоящее время производятся только в лабораторных условиях, но в будущем могут быть коммерциализированы. Ожидается, что процессы производства CZTS и (Zn 3 P 2 ) будут аналогичны процессам современных тонкопленочных технологий CIGS и CdTe соответственно. В то время как поглощающий слой SWCNT PV, как ожидается, будет синтезирован с помощью метода CoMoCAT. [74] В отличие от устоявшихся тонких пленок, таких как CIGS и CdTe, CZTS, Zn 3 P 2 и SWCNT PV изготавливаются из широко распространенных на Земле нетоксичных материалов и имеют потенциал для ежегодного производства большего количества электроэнергии, чем текущее мировое потребление. [75] [76] Хотя CZTS и Zn 3 P 2 по этим причинам обещают много, конкретные экологические последствия их коммерческого производства пока не известны. Потенциал глобального потепления CZTS и Zn 3 P 2 был обнаружен в 38 и 30 граммов CO 2 -экв/кВт·ч, в то время как их соответствующие EPBT были обнаружены в 1,85 и 0,78 лет соответственно. [53] В целом, CdTe и Zn 3 P 2 оказывают схожее экологическое воздействие, но могут немного превзойти CIGS и CZTS. [53] Исследование воздействия на окружающую среду фотоэлектрических систем на основе SWCNT, проведенное Celik et al., включающее существующее устройство с эффективностью 1% и теоретическое устройство с эффективностью 28%, показало, что по сравнению с монокристаллическим Si воздействие на окружающую среду от 1% SWCNT было примерно в 18 раз выше, в основном из-за короткого срока службы в три года. [73]
За последние годы произошли серьезные изменения в основных расходах, структуре отрасли и рыночных ценах на технологию солнечной фотоэлектричества, и получение целостной картины изменений, происходящих в цепочке создания стоимости отрасли в глобальном масштабе, является сложной задачей. Это связано с: «быстротой изменения стоимости и цен, сложностью цепочки поставок фотоэлектрических систем, которая включает в себя большое количество производственных процессов, балансом системных (BOS) и затратами на установку, связанными с полными фотоэлектрическими системами, выбором различных каналов распределения и различиями между региональными рынками, на которых развертывается фотоэлектричество». Дополнительные сложности возникают из-за множества различных инициатив поддержки политики, которые были реализованы для содействия коммерциализации фотоэлектричества в разных странах. [3]
Технологии возобновляемой энергии в целом стали дешевле с момента их изобретения. [78] [79] [80] Системы возобновляемой энергии стали дешевле в строительстве, чем электростанции на ископаемом топливе во многих странах мира, в частности, благодаря достижениям в области технологий ветровой и солнечной энергии. [81]
В 1977 году цены на кристаллические кремниевые солнечные элементы составляли 76,67 долл./Вт. [83]
Хотя оптовые цены на модули оставались на уровне около 3,50–4,00 долл. США/Вт в начале 2000-х годов из-за высокого спроса в Германии и Испании, обусловленного щедрыми субсидиями и дефицитом поликремния, спрос резко упал с резким прекращением испанских субсидий после краха рынка 2008 года, и цена быстро упала до 2,00 долл. США/Вт. Производители смогли сохранить положительную операционную маржу, несмотря на 50%-ное падение доходов из-за инноваций и сокращения расходов. В конце 2011 года заводские цены на фотоэлектрические модули из кристаллического кремния внезапно упали ниже отметки 1,00 долл. США/Вт, что застало многих в отрасли врасплох и привело к банкротству ряда компаний-производителей солнечных батарей по всему миру. Стоимость в 1,00 долл. США/Вт часто рассматривается в фотоэлектрической отрасли как достижение паритета в электросети для фотоэлектрических систем, но большинство экспертов не считают эту цену устойчивой. Технологические достижения, усовершенствования производственных процессов и реструктуризация отрасли могут означать, что возможно дальнейшее снижение цен. [3] Средняя розничная цена солнечных элементов, отслеживаемая группой Solarbuzz, упала с 3,50 долл. США/Вт до 2,43 долл. США/Вт в течение 2011 года. [84] В 2013 году оптовые цены упали до 0,74 долл. США/Вт. [83] Это было приведено в качестве доказательства, подтверждающего « закон Свенсона », наблюдение, похожее на знаменитый закон Мура , который утверждает, что цены на солнечные элементы падают на 20% при каждом удвоении производственных мощностей. [83] 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 упали гораздо медленнее и в 2019 году составляют более 61% от стоимости за кВт/пик по сравнению с четвертью в начале 2000-х годов. [55]
Обратите внимание, что цены, указанные выше, указаны для пустых модулей, другой способ рассмотрения цен на модули — включить расходы на установку. В США, по данным Ассоциации солнечной энергетики, цена установленных на крыше фотоэлектрических модулей для домовладельцев упала с 9,00 долл. США/Вт в 2006 году до 5,46 долл. США/Вт в 2011 году. Включая цены, уплачиваемые промышленными установками, национальная установленная цена падает до 3,45 долл. США/Вт. Это заметно выше, чем в других странах мира, в Германии средняя стоимость установок на крыше домовладельцев составляет 2,24 долл. США/Вт. Разница в стоимости, как полагают, в первую очередь основана на более высоком бремени регулирования и отсутствии национальной солнечной политики в США. [85]
К концу 2012 года себестоимость производства китайских производителей составляла $0,50/Вт для самых дешевых модулей. [86] На некоторых рынках дистрибьюторы этих модулей могут получать значительную прибыль, покупая по заводской цене и продавая по самой высокой цене, которую может поддержать рынок («ценообразование на основе стоимости»). [3] В Калифорнии в 2011 году фотоэлектрические системы достигли паритета в электросети, который обычно определяется как себестоимость производства фотоэлектрических систем на уровне или ниже розничных цен на электроэнергию (хотя часто все еще выше цен электростанций на угольную или газовую генерацию без учета их распределения и других расходов). [87] В 2014 году паритет в электросети был достигнут на 19 рынках. [88] [89]
К 2024 году масштабное увеличение производства солнечных панелей в Китае привело к снижению цен на модули до 0,11 долл. США/Вт, что на 90 процентов меньше цен 2011 года. [90]
Нормированная стоимость электроэнергии (LCOE) — это стоимость за кВт·ч, рассчитанная на основе затрат, распределенных на весь срок службы проекта, и считается лучшим показателем для расчета жизнеспособности, чем цена за ватт. LCOE сильно различаются в зависимости от местоположения. [3] LCOE можно считать минимальной ценой, которую потребители должны будут заплатить коммунальной компании, чтобы она вышла на уровень безубыточности инвестиций в новую электростанцию. [5] Сетевой паритет примерно достигается, когда LCOE падает до цены, аналогичной ценам в обычной местной сети, хотя на самом деле расчеты напрямую не сопоставимы. [91] Крупные промышленные установки фотоэлектрических систем достигли сетевого паритета в Калифорнии в 2011 году. [80] [91] В то время считалось, что сетевой паритет для систем на крышах все еще намного дальше. [91] Многие расчеты LCOE считаются неточными, и требуется большое количество допущений. [3] [91] Цены на модули могут еще больше упасть, и LCOE для солнечной энергии может соответственно упасть в будущем. [92]
Поскольку спрос на энергию растет и падает в течение дня, а солнечная энергия ограничена тем фактом, что солнце садится, компании солнечной энергетики должны также учитывать дополнительные расходы на поставку более стабильной альтернативной энергии в сеть, чтобы стабилизировать систему, или каким-то образом хранить энергию (текущая технология аккумуляторов не может хранить достаточно энергии). Эти расходы не учитываются в расчетах LCOE, как и специальные субсидии или премии, которые могут сделать покупку солнечной энергии более привлекательной. [5] Ненадежность и временные колебания в генерации солнечной и ветровой энергии являются серьезной проблемой. Слишком много этих нестабильных источников энергии может вызвать нестабильность всей сети. [93]
По состоянию на 2017 год в США цены на электроэнергию для солнечных электростанций по соглашениям о покупке электроэнергии ниже 0,05 долл. США/кВт·ч являются обычным явлением, а самые низкие цены в некоторых странах Персидского залива составляли около 0,03 долл. США/кВт· ч . [94] Целью Министерства энергетики США является достижение нормированной стоимости энергии для солнечных электростанций в размере 0,03 долл. США/кВт·ч для коммунальных компаний. [95]
Финансовые стимулы для фотоэлектричества , такие как тарифы на подачу электроэнергии (FIT), часто предлагались потребителям электроэнергии для установки и эксплуатации солнечных электрогенерирующих систем, и в некоторых странах такие субсидии являются единственным способом, с помощью которого фотоэлектричество может оставаться экономически прибыльным. В Германии субсидии FIT, как правило, примерно на 0,13 евро выше обычной розничной цены кВт·ч (0,05 евро). [96] FIT для фотоэлектрических установок сыграли решающую роль в принятии отрасли и доступны потребителям в более чем 50 странах по состоянию на 2011 год. Германия и Испания были наиболее важными странами в отношении предоставления субсидий для фотоэлектрических установок, и политика этих стран стимулировала спрос в прошлом. [3] Некоторые американские компании по производству солнечных элементов неоднократно жаловались на то, что снижение цен на стоимость фотоэлектрических модулей было достигнуто за счет субсидий правительства Китая и демпинга этих продуктов ниже справедливых рыночных цен. Американские производители обычно рекомендуют высокие тарифы на иностранные поставки, чтобы позволить им оставаться прибыльными. В ответ на эти опасения администрация Обамы начала вводить пошлины на американских потребителей этой продукции в 2012 году, чтобы поднять цены для отечественных производителей. [3] Однако США также субсидируют отрасль, предлагая потребителям 30% федеральный налоговый кредит на покупку модулей. На Гавайях федеральные и государственные субсидии сокращают до двух третей затрат на установку. [85]
Некоторые экологи продвигают идею о том, что государственные стимулы должны использоваться для расширения отрасли производства фотоэлектрических систем, чтобы гораздо быстрее снизить стоимость электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими системами, до уровня, на котором она сможет конкурировать с ископаемым топливом на свободном рынке. Это основано на теории, что когда производственные мощности удваиваются, экономия масштаба приведет к снижению цен на солнечную продукцию вдвое. [5]
Во многих странах отсутствует доступ к капиталу для разработки проектов в области фотоэлектрических систем. Для решения этой проблемы была предложена секьюритизация , которая ускорит разработку проектов в области фотоэлектрических систем. [87] [97] Например, SolarCity предложила первую в США обеспеченную активами безопасность в солнечной отрасли в 2013 году. [98]
Фотоэлектрическая энергия также генерируется в течение времени суток, близкого к пиковому спросу (предшествует ему) в электросистемах с высоким использованием кондиционирования воздуха. Поскольку крупномасштабная работа PV требует резервирования в виде вращающихся резервов, ее предельная стоимость генерации в середине дня обычно самая низкая, но не нулевая, когда PV генерирует электричество. Это можно увидеть на рисунке 1 этой статьи:. [99] Для жилых объектов с частными PV-установками, подключенными к сети, владелец может заработать дополнительные деньги, если включить время генерации, поскольку электричество стоит дороже днем, чем ночью. [100]
Один журналист в 2012 году предположил, что если бы счета за электроэнергию для американцев были бы увеличены за счет введения дополнительного налога в размере 50 долларов за тонну на выбросы углекислого газа при сжигании угля, это могло бы позволить солнечным батареям казаться более конкурентоспособными по цене для потребителей в большинстве мест. [84]
Солнечная фотоэлектричество сформировало крупнейший массив исследований среди семи типов устойчивой энергии, 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 фотоэлектричества быстро растет, и мировая установленная мощность достигла одного тераватта в апреле 2022 года. [102] Общая выработка мощности мировых фотоэлектрических мощностей за календарный год в настоящее время превышает 500 ТВт·ч электроэнергии. Это составляет 2% от мирового спроса на электроэнергию. Более 100 стран , таких как Бразилия и Индия , используют солнечные фотоэлектрические системы. [103] [104] За Китаем следуют США и Япония , в то время как установки в Германии , некогда крупнейшем в мире производителе, замедляются.
Гондурас выработал самый высокий процент своей энергии из солнечной энергии в 2019 году, 14,8%. [105] По состоянию на 2019 год Вьетнам имеет самую высокую установленную мощность в Юго-Восточной Азии, около 4,5 ГВт. [106] Годовой показатель установки около 90 Вт на душу населения в год ставит Вьетнам среди мировых лидеров. [106] Щедрый тариф на подачу электроэнергии (FIT) и государственная политика поддержки, такая как налоговые льготы, стали ключом к буму солнечной энергетики во Вьетнаме. Основными движущими силами являются стремление правительства повысить энергетическую самодостаточность и спрос общественности на качество местной окружающей среды. [106]
Основным препятствием является ограниченная пропускная способность сети электропередачи. [106]
По данным Международного энергетического агентства, Китай обладает крупнейшей в мире мощностью солнечной энергетики: в 2022 году установленная мощность составит 390 ГВт, тогда как в Европейском союзе этот показатель составляет около 200 ГВт. [107] Другими странами с крупнейшими в мире мощностями солнечной энергетики являются США, Япония и Германия.
В 2017 году считалось вероятным, что к 2030 году установленные мощности фотоэлектрических систем во всем мире могут составить от 3000 до 10 000 ГВт. [94] В 2010 году организация Greenpeace заявила, что к 2030 году 1845 ГВт фотоэлектрических систем во всем мире смогут генерировать около 2646 ТВт·ч электроэнергии в год, а к 2050 году более 20% всей электроэнергии будет вырабатываться фотоэлектрическими системами. [109]
Существует множество практических применений для использования солнечных панелей или фотоэлектрических элементов, охватывающих все технологические области под солнцем. От сельскохозяйственной промышленности в качестве источника энергии для орошения до использования в отдаленных медицинских учреждениях для охлаждения медицинских принадлежностей. Другие применения 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 фотоэлектрических элементов. Она 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 принадлежности. Фотоэлектрические системы варьируются от небольших, монтируемых на крыше или интегрированных в здание систем с мощностью от нескольких до нескольких десятков киловатт , до крупных электростанций коммунального масштаба в сотни мегаватт . В настоящее время большинство фотоэлектрических систем подключены к сети , в то время как автономные системы составляют лишь небольшую часть рынка.
Фотодатчики — это датчики света или другого электромагнитного излучения . [110] Фотодетектор имеет p–n-переход , который преобразует фотоны света в ток. Поглощенные фотоны создают пары электрон-дырка в обедненной области . Фотодиоды и фототранзисторы — несколько примеров фотодетекторов. Солнечные элементы преобразуют часть поглощенной световой энергии в электрическую энергию.
Кристаллические кремниевые фотоэлектрические элементы являются лишь одним типом PV, и хотя они представляют собой большинство солнечных элементов, производимых в настоящее время, существует много новых и многообещающих технологий, которые могут быть масштабированы для удовлетворения будущих энергетических потребностей. По состоянию на 2018 год технология кристаллических кремниевых элементов служит основой для нескольких типов PV-модулей, включая монокристаллические, мультикристаллические, моно PERC и двусторонние. [111]
Другая более новая технология, тонкопленочные фотоэлектрические элементы, изготавливаются путем осаждения полупроводниковых слоев перовскита , минерала с полупроводниковыми свойствами, на подложку в вакууме. Подложка часто представляет собой стекло или нержавеющую сталь, и эти полупроводниковые слои изготавливаются 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 с помощью 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 исследований. [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 кремниевыми пластинами. [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 и галлия (CIGS) — это тонкопленочный солнечный элемент на основе семейства халькопиритовых полупроводников — диселенида меди, индия (CIS) . CIS и CIGS часто используются взаимозаменяемо в сообществе CIS/CIGS. Структура элемента включает в себя натриево-кальциевое стекло в качестве подложки, слой Mo в качестве заднего контакта, CIS/CIGS в качестве поглощающего слоя, сульфид кадмия (CdS) или Zn (S,OH)x в качестве буферного слоя и ZnO:Al в качестве переднего контакта. [117] CIGS составляет примерно 1/100 толщины обычных технологий кремниевых солнечных элементов. Материалы, необходимые для сборки, легкодоступны и менее дороги в расчете на ватт солнечного элемента. Солнечные устройства на основе CIGS устойчивы к ухудшению производительности с течением времени и обладают высокой стабильностью в полевых условиях.
Сообщается, что потенциальные воздействия CIGS на глобальное потепление составляют 20,5–58,8 граммов CO2 - экв/кВт·ч электроэнергии, вырабатываемой при различном солнечном облучении (от 1700 до 2200 кВт·ч/м² / год) и эффективности преобразования энергии (7,8–9,12%). [118] EPBT варьируется от 0,2 до 1,4 лет, [71] в то время как гармонизированное значение EPBT было найдено равным 1,393 года. [58] Токсичность является проблемой в буферном слое модулей CIGS, поскольку он содержит кадмий и галлий. [53] [119] Модули CIS не содержат никаких 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 активного слоя, собирающего свет. [120] [121] Перовскитные материалы, такие как галогениды свинца метиламмония и полностью неорганический галогенид свинца цезия, дешевы в производстве и просты в изготовлении.
Эффективность солнечных элементов лабораторных устройств, использующих эти материалы, возросла с 3,8% в 2009 году [122] до 25,7% в 2021 году в однопереходных архитектурах [123] [124] и в тандемных ячейках на основе кремния до 29,8%, [123] [125], что превышает максимальную эффективность, достигнутую в однопереходных кремниевых солнечных элементах. Таким образом, перовскитные солнечные элементы стали самой быстроразвивающейся солнечной технологией по состоянию на 2016 год [обновлять]. [120] Благодаря потенциалу достижения еще более высокой эффективности и очень низким производственным затратам перовскитные солнечные элементы стали коммерчески привлекательными. Основные проблемы и предметы исследований включают их краткосрочную и долгосрочную стабильность. [126]Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSC) представляют собой новые тонкопленочные солнечные элементы. Эти солнечные элементы работают при окружающем освещении лучше, чем другие фотоэлектрические технологии. Они работают со светом, поглощаемым сенсибилизирующим красителем между двумя материалами для переноса заряда. Краситель окружает наночастицы TiO 2 , которые находятся 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 TiO 2 DSC подготовка образцов при высоких температурах очень эффективна, поскольку более высокие температуры обеспечивают более подходящие текстурные свойства. Другим примером DSC является комплекс меди с Cu (II/I) в качестве окислительно-восстановительного челнока с TMBY (4,4',6,6'-тетраметил-2,2'бипиридином). DSC демонстрируют отличную производительность при искусственном и внутреннем освещении. В диапазоне от 200 до 2000 люкс эти элементы работают в условиях максимальной эффективности 29,7%. [128]
Однако с DSC были проблемы, многие из которых связаны с жидким электролитом. Растворитель опасен и проникает в большинство пластиков. Поскольку он жидкий, он нестабилен к изменению температуры, что приводит к замерзанию при низких температурах и расширению при высоких температурах, что приводит к выходу из строя. [129] Другим недостатком является то, что солнечный элемент не идеален для крупномасштабного применения из-за его низкой эффективности. Некоторые из преимуществ DSC заключаются в том, что его можно использовать при различных уровнях освещенности (включая облачные условия), он имеет низкую себестоимость производства и не разрушается под воздействием солнечного света, что обеспечивает ему более длительный срок службы, чем другие типы тонкопленочных солнечных элементов.
Другие возможные будущие фотоэлектрические технологии включают органические, сенсибилизированные красителем и квантово-точечные фотоэлектрические элементы. [130] Органические фотоэлектрические элементы (OPV) попадают в категорию тонкопленочных производственных элементов и обычно работают в диапазоне эффективности около 12%, что ниже, чем 12–21%, обычно наблюдаемые у кремниевых фотоэлектрических элементов. Поскольку органические фотоэлектрические элементы требуют очень высокой чистоты и относительно реактивны, их необходимо инкапсулировать, что значительно увеличивает стоимость производства и означает, что они нецелесообразны для крупномасштабного производства. Сенсибилизированные красителем фотоэлектрические элементы аналогичны по эффективности OPV, но их значительно проще производить. Однако эти сенсибилизированные красителем фотоэлектрические элементы представляют проблемы хранения, поскольку жидкий электролит токсичен и потенциально может проникать в пластик, используемый в ячейке. Солнечные элементы на квантовых точках обрабатываются раствором, что означает, что они потенциально масштабируемы, но в настоящее время их пиковая эффективность составляет 12%. [114]
Органические и полимерные фотоэлектрические элементы (OPV) являются относительно новой областью исследований. Традиционные слои структуры ячеек OPV состоят из полупрозрачного электрода, слоя блокировки электронов, туннельного перехода, слоя блокировки отверстий, электрода, при этом солнце падает на прозрачный электрод. OPV заменяет серебро углеродом в качестве материала электрода, что снижает стоимость производства и делает их более экологически чистыми. [131] OPV гибкие, легкие и хорошо подходят для рулонного производства для массового производства. [132] OPV использует «только распространенные элементы в сочетании с чрезвычайно низкой воплощенной энергией посредством очень низких температур обработки с использованием только условий окружающей среды на простом печатном оборудовании, что обеспечивает время окупаемости энергии». [133] Текущая эффективность составляет 1–6,5%, [56] [134] однако теоретические анализы показывают перспективность эффективности свыше 10%. [133]
Существует множество различных конфигураций OPV с использованием различных материалов для каждого слоя. Технология OPV конкурирует с существующими технологиями PV с точки зрения EPBT, даже если в настоящее время они имеют более короткий срок эксплуатации. Исследование 2013 года проанализировало 12 различных конфигураций, все с эффективностью 2%, EPBT варьировался от 0,29 до 0,52 лет для 1 м 2 PV. [135] Средний CO 2 -экв/кВтч для OPV составляет 54,922 грамма. [136]
Термофотоэлектрическое (ТФЭ) преобразование энергии — это процесс прямого преобразования тепла в электричество с помощью фотонов . Базовая термофотоэлектрическая система состоит из горячего объекта, испускающего тепловое излучение , и фотоэлектрического элемента, похожего на солнечный элемент , но настроенного на спектр, испускаемый горячим объектом. [137]
Поскольку системы TPV обычно работают при более низких температурах, чем солнечные элементы, их эффективность, как правило, низкая. Компенсация этого за счет использования многопереходных элементов на основе некремниевых материалов является распространенной, но, как правило, очень дорогой. В настоящее время это ограничивает TPV нишевыми ролями, такими как питание космических аппаратов и сбор отработанного тепла из более крупных систем, таких как паровые турбины .Несколько солнечных модулей также могут быть установлены вертикально друг над другом в башне, если зенитное расстояние Солнца больше нуля, и башня может быть повернута горизонтально как целое, а каждый модуль дополнительно вокруг горизонтальной оси. В такой башне модули могут точно следовать за Солнцем. Такое устройство можно описать как лестницу, установленную на поворотном диске. Каждая ступенька этой лестницы является средней осью прямоугольной солнечной панели. В случае, если зенитное расстояние Солнца достигает нуля, «лестницу» можно повернуть на север или юг, чтобы избежать создания тени солнечным модулем на нижнем. Вместо строго вертикальной башни можно выбрать башню с осью, направленной на Полярную звезду , то есть параллельной оси вращения Земли . В этом случае угол между осью и Солнцем всегда больше 66 градусов. В течение дня необходимо только поворачивать панели вокруг этой оси, чтобы следовать за Солнцем. Установки могут быть установлены на земле (иногда в сочетании с сельским хозяйством и выпасом скота) [138] или встроены в крышу или стены здания ( интегрированные в здание фотоэлектрические системы ).
Там, где земля может быть ограничена, фотоэлектрические системы могут быть развернуты как плавающие солнечные батареи . В 2008 году винодельня Far Niente Winery стала пионером первой в мире «плавающей солнечной» системы, установив 994 фотоэлектрические солнечные панели на 130 понтонах и плавая на оросительном пруду винодельни. [139] [140] Преимущество установки заключается в том, что панели поддерживаются при более низкой температуре, чем они были бы на суше, что приводит к более высокой эффективности преобразования солнечной энергии. Плавающие панели также уменьшают количество воды, теряемой за счет испарения, и подавляют рост водорослей. [141]
Концентраторная фотовольтаика — это технология, которая в отличие от обычных плоских фотоэлектрических систем использует линзы и изогнутые зеркала для фокусировки солнечного света на небольшие, но высокоэффективные многопереходные солнечные элементы. Иногда в этих системах используются солнечные трекеры и система охлаждения для повышения их эффективности.
В 2019 году мировой рекорд эффективности солнечных элементов в 47,1% был достигнут с использованием многопереходных концентраторных солнечных элементов, разработанных в Национальной лаборатории возобновляемой энергии, штат Колорадо, США. [142] Самая высокая эффективность, достигнутая без концентрации, включает материал от Sharp Corporation в 35,8% с использованием запатентованной технологии производства с тремя переходами в 2009 году [143] и Boeing Spectrolab (40,7% также с использованием трехслойной конструкции).
Продолжаются усилия по повышению эффективности преобразования фотоэлектрических ячеек и модулей, в первую очередь для получения конкурентного преимущества. Для повышения эффективности солнечных ячеек важно выбрать полупроводниковый материал с соответствующей шириной запрещенной зоны , соответствующей солнечному спектру. Это улучшит электрические и оптические свойства. Улучшение метода сбора заряда также полезно для повышения эффективности. Существует несколько групп материалов, которые разрабатываются. Устройства сверхвысокой эффективности (η>30%) [144] изготавливаются с использованием полупроводников GaAs и GaInP2 с многопереходными тандемными ячейками. Высококачественные монокристаллические кремниевые материалы используются для достижения высокоэффективных недорогих ячеек (η>20%).
Недавние разработки органических фотоэлектрических ячеек (OPV) значительно повысили эффективность преобразования энергии с 3% до более чем 15% с момента их внедрения в 1980-х годах. [145] На сегодняшний день самая высокая сообщаемая эффективность преобразования энергии составляет 6,7–8,94% для малых молекул, 8,4–10,6% для полимерных OPV и 7–21% для перовскитных OPV. [146] [147] Ожидается, что OPV будут играть важную роль на рынке фотоэлектрических систем. Недавние усовершенствования 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, когда тень, падающая на секцию модуля, вызывает снижение электрической мощности одной или нескольких цепочек ячеек в модуле. [148]
Одной из основных причин снижения производительности ячеек является перегрев. Эффективность солнечной ячейки снижается примерно на 0,5% при каждом повышении температуры на 1 градус Цельсия. Это означает, что повышение температуры поверхности на 100 градусов может снизить эффективность солнечной ячейки примерно вдвое. Самоохлаждающиеся солнечные ячейки являются одним из решений этой проблемы. Вместо того, чтобы использовать энергию для охлаждения поверхности, из кремния можно сформировать пирамидальные и конусные формы и прикрепить их к поверхности солнечной панели. Это позволяет видимому свету достигать солнечных ячеек , но отражает инфракрасные лучи (которые переносят тепло). [149]
122 ПВт солнечного света, достигающего поверхности Земли, в изобилии — почти в 10 000 раз больше, чем эквивалент 13 ТВт средней мощности, потребляемой человечеством в 2005 году. [150] Это изобилие приводит к предположению, что пройдет немного времени, прежде чем солнечная энергия станет основным источником энергии в мире. [151] Кроме того, солнечное излучение имеет самую высокую плотность мощности (глобальное среднее значение 170 Вт/м2 ) среди возобновляемых источников энергии. [150] [ необходима цитата ]
Солнечная энергия не загрязняет окружающую среду во время использования, что позволяет ей сокращать загрязнение при замене других источников энергии. Например, Массачусетский технологический институт подсчитал, что 52 000 человек в год преждевременно умирают в США от загрязнения угольных электростанций [152] , и все эти смерти, кроме одной, можно было бы предотвратить, используя фотоэлектрические системы вместо угля. [153] [154] Конечные отходы производства и выбросы можно контролировать с помощью существующих мер контроля загрязнения. Технологии переработки отходов после использования находятся в стадии разработки [155] , и разрабатываются политики, поощряющие переработку от производителей. [156]
Фотоэлектрические установки в идеале могут работать в течение 100 лет или даже больше [157] 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.
Подключенная к сети солнечная электроэнергия может использоваться локально, что снижает потери при передаче/распределении (потери при передаче в США составляли приблизительно 7,2% в 1995 году). [158]
По сравнению с ископаемыми и ядерными источниками энергии, в разработку солнечных элементов было вложено очень мало денег на исследования, поэтому есть значительный простор для усовершенствования. 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 оценит систему ниже, чем продавец. Город Беркли разработал инновационный метод финансирования, чтобы устранить это ограничение, добавив налоговую оценку, которая передается вместе с домом для оплаты солнечных панелей. [161] Теперь известное как PACE , Property Assessed Clean Energy, 30 штатов США продублировали это решение. [162]
Для фотоэлектрических систем на крыше с датчиком расхода поток энергии становится двусторонним. Когда локальное производство превышает потребление, электроэнергия экспортируется в сеть, что позволяет производить чистый учет . Однако электрические сети традиционно не рассчитаны на двустороннюю передачу энергии, что может привести к техническим проблемам. Проблема перенапряжения может возникнуть, когда электричество поступает из этих домохозяйств с фотоэлектрическими установками обратно в сеть. [163] Существуют решения для управления проблемой перенапряжения, такие как регулирование коэффициента мощности инвертора фотоэлектрических систем, новое оборудование для контроля напряжения и энергии на уровне распределителя электроэнергии, перепроводка электрических проводов, управление спросом и т. д. Часто с этими решениями связаны ограничения и затраты.
Высокая генерация в середине дня снижает чистый спрос на генерацию, но более высокий пиковый чистый спрос после захода солнца может потребовать быстрого наращивания мощности электростанций, создавая профиль нагрузки, называемый кривой «утка» .
Не существует универсального решения в управлении спросом на электроэнергию или энергию и счетами, поскольку у клиентов (сайтов) разные конкретные ситуации, например, разные потребности в комфорте/удобстве, разные тарифы на электроэнергию или разные модели использования. Тариф на электроэнергию может иметь несколько элементов, таких как ежедневная плата за доступ и измерение, плата за электроэнергию (на основе кВт·ч, МВт·ч) или плата за пиковый спрос (например, цена за самое высокое 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 сайтов с установленной платой за пиковый спрос фотоэлектрические системы могут быть менее привлекательными, если пиковый спрос в основном приходится на конец дня или начало вечера, например, в жилых районах. В целом, инвестиции в электроэнергию в значительной степени являются экономическим решением, и лучше принимать инвестиционные решения на основе систематической оценки вариантов улучшения эксплуатации, энергоэффективности, генерации на месте и хранения энергии. [164] [165]
фотоэлектрические системы: данные с массива площадью 25 м2 в Кембриджшире в 2006 г.
{{cite book}}: |work=проигнорировано ( 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 ячеек (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}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
