Фотогальваника - Photovoltaics

В Солнечное поселение, проект устойчивого жилищного строительства в Фрайбург, Германия.

Photovoltaic SUDI shade - это автономная мобильная станция во Франции, обеспечивающая электроэнергией электромобили с использованием солнечной энергии.

Солнечные панели на Международная космическая станция

Фотогальваника (PV) - это преобразование света в электричество с использованием полупроводниковые материалы которые демонстрируют фотоэлектрический эффект, явление, изученное в физика, фотохимия, и электрохимия. Фотоэлектрический эффект коммерчески используется для производства электроэнергии и фотосенсоры.

А фотоэлектрическая система нанимает солнечные модули, каждый из которых состоит из нескольких солнечные батареи, которые вырабатывают электроэнергию. Фотоэлектрические установки могут быть наземными, потолочными, настенными или плавающими. Крепление может быть фиксированным или использовать солнечный трекер следовать за солнцем по небу.

Фотоэлектрические системы стали самым дешевым источником электроэнергии в регионах с высоким потенциалом солнечной энергии, с ценовыми предложениями всего 0,01567 долл. США /кВтч^[1] в 2020 году. Цены на панели упали в 10 раз за десятилетие. Эта конкурентоспособность открывает путь к глобальному переходу к устойчивая энергия, который потребуется для смягчения последствий глобальное потепление. В бюджет выбросов для CO
2 встретить Цель 1,5 градуса будет израсходован в 2028 году, если выбросы останутся на текущем уровне. Однако использование фотоэлектрических модулей в качестве основного источника требует хранилище энергии системы или глобальное распространение постоянный ток высокого напряжения линии электропередач, вызывающие дополнительные расходы.

Солнечные фотоэлектрические панели имеют определенные преимущества в качестве источника энергии: после установки они не вызывают загрязнения и Выбросы парниковых газов, он демонстрирует простую масштабируемость в отношении потребностей в энергии, а кремний имеет большую доступность в земной коре.^[2]

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

Достижения в области технологий и увеличение масштабов производства в любом случае снизили стоимость,^[5] повысили надежность и повысили эффективность фотоэлектрических установок.^[3][6] Чистый учет и финансовые стимулы, такие как льготные зеленые тарифы для производства электроэнергии на солнечной энергии поддержали установку солнечных фотоэлектрических систем во многих странах.^[7] Больше, чем 100 стран теперь используйте солнечные фотоэлементы.

В 2019 году мировая установленная фотоэлектрическая мощность увеличилась до более чем 635 гигаватт (GW) покрывая примерно два процента мировой спрос на электроэнергию.^[8] После гидро и сила ветра, PV - третий Возобновляемая энергия источник с точки зрения глобальной емкости. В Международное энергетическое агентство ожидает роста на 700-880 ГВт с 2019 по 2024 год.^[9] Согласно прогнозу, к середине 2020-х годов фотоэлектрическая энергия может стать технологией с наибольшей установленной мощностью.

В 2020 году фотоэлектрическая система на крыше окупается энергия, необходимая для их производства за 1,28 года в Оттава, Канада, 0,97 лет в Катания, Италия, и 0,4 года в Джайпур, Индия.^[10]

Этимология

Термин «фотоэлектрические» происходит от Греческий φῶς (phs) означает «свет», а от «вольт» - единица электродвижущей силы - вольт, что, в свою очередь, происходит от фамилии Итальянский физик Алессандро Вольта, изобретатель батареи (электрохимическая ячейка ). Термин «фотоэлектрические» используется в английском языке с 1849 года.^[11]

Солнечные батареи

Солнечные батареи генерировать электричество прямо из Солнечный лучик.

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

Фотогальваника наиболее известна как метод создания электроэнергия используя солнечные батареи преобразовывать энергию солнца в поток электронов фотоэлектрический эффект.^[12][13]

Солнечные элементы производят электричество постоянного тока из солнечного света, которое можно использовать для питания оборудования или перезарядить аккумулятор. Первое практическое применение фотоэлектрической энергии было на орбите. спутники и другие космический корабль, но сегодня большинство фотоэлектрические модули используются для подключенных к сети систем для выработки электроэнергии. В этом случае инвертор требуется для преобразования ОКРУГ КОЛУМБИЯ к AC. По-прежнему существует меньший рынок автономных систем для удаленных жилищ, лодки, прогулочные автомобили, электромобили, придорожные аварийные телефоны, дистанционное зондирование, и катодная защита из трубопроводы.

В производстве фотоэлектрической энергии используются солнечные модули состоит из ряда солнечные батареи содержащий полупроводниковый материал.^[14] Медные солнечные кабели соединить модули (кабель модуля), массивы (кабель массива) и подполя. Из-за растущего спроса на Возобновляемая энергия источники, производство солнечных батарей и фотоэлектрические батареи значительно продвинулась в последние годы.^[15][16][17]

Производство солнечной фотоэлектрической энергии уже давно рассматривается как чистая энергия технология, использующая самый многочисленный и широко распространенный возобновляемый источник энергии на планете - солнце. Элементы требуют защиты от окружающей среды и обычно плотно упаковываются в солнечные модули.

Мощность фотоэлектрического модуля измеряется в стандартных условиях испытаний (STC) в "Вт"._п" (пиковая мощность ).^[18] 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.^[19] Солнечная фотоэлектрическая батарея факторы мощности обычно ниже 25%, что ниже, чем у многих других промышленных источников электроэнергии.^[20]

Текущие события

Для обеспечения наилучшей производительности наземные фотоэлектрические системы стремятся максимально увеличить время пребывания на солнце. Солнечные трекеры добиться этого, перемещая фотоэлектрические модули, следуя за солнцем. Увеличение может быть на 20% зимой и на 50% летом.^{[нужна цитата ]}. Статически установленные системы можно оптимизировать путем анализа путь солнца. Фотоэлектрические модули часто устанавливаются на наклон по широте, угол, равный широта, но производительность можно улучшить, отрегулировав угол наклона для лета или зимы. Обычно, как и в случае с другими полупроводниковыми приборами, температура выше комнатной снижает производительность фотоэлектрических модулей.^[21]

Несколько солнечных модулей также могут быть установлены вертикально друг над другом в башне, если зенитное расстояние из солнце больше нуля, и башня может быть повернута горизонтально в целом и каждый модуль дополнительно вокруг горизонтальной оси. В такой башне модули могут точно следовать за Солнцем. Такое устройство можно описать как лестница установлен на поворотном диске. Каждая ступенька этой лестницы - средняя ось прямоугольного солнечная панель. В случае, если зенитное расстояние Солнца достигает нуля, «лестницу» можно повернуть на север или на юг, чтобы солнечный модуль не создавал тени на нижнем. Вместо точно вертикальной башни можно выбрать башню с осью, направленной в сторону полярная звезда, что означает, что он параллелен оси вращения Земля. В этом случае угол между осью и Солнцем всегда больше 66 градусов. В течение дня необходимо только повернуть панели вокруг этой оси, чтобы следовать за Солнцем. Установки могут монтироваться на земле (а иногда и интегрированы с земледелием и выпасом)^[22] или встроены в крышу или стены здания (встроенная в здание фотоэлектрическая система ).

Еще одна недавняя разработка связана с материальным содержанием солнечных элементов. Университетские лаборатории в Оксфорде, Стэнфорде и других странах экспериментируют с заменой кристаллический кремний в фотоэлектрических солнечных элементах с перовскит, минерал с полупроводниковыми свойствами. Исследователи в этих лабораториях быстро достигли эффективности ячеек 20-25%, что соответствует или превышает эффективность кремниевых солнечных элементов.^[23]

Эффективность

Лучшая эффективность исследовательских ячеек

Электрический КПД фотоэлемента составляет физическая собственность который представляет, сколько электроэнергии может производить клетка для данного Солнечное излучение. Основное выражение максимальной эффективности фотоэлектрического элемента дается отношением выходной мощности к падающей солнечной мощности (поток излучения, умноженный на площадь)

${ displaystyle eta = { frac {P_ {max}} {E cdot A_ {cell}}}.}$^[24]

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

Наиболее эффективным типом солнечных элементов на сегодняшний день является солнечный элемент с многопереходным концентратором с КПД 46,0%.^[25] произведено Фраунгофера ISE в декабре 2014 года. Наивысшие показатели эффективности, достигнутые без концентрации, включают материал Sharp Corporation на 35,8% с использованием запатентованной технологии тройного перехода в 2009 году,^[26] и Boeing Spectrolab (40,7% также используют трехслойную конструкцию). Специальность в США арсенид галлия (GaAs) Производитель фотоэлектрических модулей Alta Devices производит коммерческие ячейки с эффективностью 26%^[27] утверждая, что у нее есть «самый эффективный в мире солнечный» однопереходный элемент, предназначенный для гибких и легких приложений. Для кремниевых солнечных батарей американская компания SunPower остается лидером с сертифицированным КПД модуля 22,8%,^[28] значительно выше среднерыночного уровня на 15–18%. Однако компании-конкуренты догоняют южнокорейский конгломерат. LG (КПД 21,7%^[29]) или норвежский Группа РЭЦ (КПД 21,7%).^[30]

Постоянно прилагаются усилия для повышения эффективности преобразования фотоэлементов и модулей, в первую очередь для достижения конкурентного преимущества. Чтобы повысить эффективность солнечных элементов, важно выбрать полупроводниковый материал с подходящей запрещенная зона что соответствует солнечному спектру. Это улучшит электрические и оптические свойства. Улучшение метода сбора платежей также полезно для повышения эффективности. Разрабатываются несколько групп материалов. Устройства сверхвысокого КПД (η> 30%)^[31] изготавливаются с использованием полупроводников GaAs и GaInP2 с многопереходными тандемными ячейками. Высококачественные монокристаллические кремниевые материалы используются для создания высокоэффективных и недорогих ячеек (η> 20%).

Последние разработки в области органических фотоэлектрических элементов (OPV) позволили значительно повысить эффективность преобразования энергии с 3% до более 15% с момента их появления в 1980-х годах.^[32] На сегодняшний день самый высокий зарегистрированный КПД преобразования энергии колеблется от 6,7% до 8,94% для малых молекул, 8,4–10,6% для полимерных OPV и от 7% до 21% для перовскитных OPV.^[33][34] Ожидается, что OPV будут играть важную роль на рынке фотоэлектрических систем. Недавние улучшения повысили эффективность и снизили стоимость, оставаясь при этом экологически безвредными и возобновляемыми.

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

Несколько компаний начали внедрение оптимизаторы мощности в фотоэлектрические модули, называемые умные модули. Эти модули выполняют отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) для каждого модуля в отдельности, измерьте данные о производительности для мониторинга и обеспечьте дополнительные функции безопасности. Такие модули также могут компенсировать эффекты затенения, когда тень, падающая на секцию модуля, вызывает уменьшение электрического выхода одной или нескольких цепочек ячеек в модуле.^[35]

Одна из основных причин снижения производительности ячеек - перегрев. Эффективность солнечного элемента снижается примерно на 0,5% на каждый 1 градус Цельсия повышения температуры. Это означает, что повышение температуры поверхности на 100 градусов может снизить эффективность солнечного элемента примерно наполовину. Самоохлаждающиеся солнечные элементы - одно из решений этой проблемы. Вместо того, чтобы использовать энергию для охлаждения поверхности, пирамиды и конусы могут быть сформированы из кремнезем, и прикреплен к поверхности солнечной панели. Это позволит видимому свету достигать солнечные батареи, но отражает инфракрасный лучи (которые переносят тепло).^[36]

Рост

Мировой рост фотоэлектрической энергии на полубревенчатом участке с 1992 г.

Солнечные фотоэлектрические установки быстро развиваются, и установленная мощность во всем мире достигла 515 единиц. гигаватт (GW) к 2018 году.^[37] Общая мощность фотоэлектрических мощностей в мире за календарный год в настоящее время превышает 500 ТВтч электроэнергии. Это составляет 2% мирового спроса на электроэнергию. Более 100 страны использовать солнечные фотоэлектрические системы.^[38][39] Китай следует Соединенные Штаты и Япония, а установки в Германия, когда-то крупнейший производитель в мире, замедлился.

В 2017 году исследование в Наука По оценкам, к 2030 году глобальная установленная мощность фотоэлектрических систем составит от 3 000 до 10 000 ГВт.^[40] EPIA /Гринпис Сценарий изменения парадигмы солнечной генерации (ранее называвшийся Advanced Scenario) от 2010 года показывает, что к 2030 году 1845 ГВт фотоэлектрических систем могут вырабатывать примерно 2646 ТВт-ч электроэнергии в год во всем мире. В сочетании с эффективность использования энергии улучшений, это будет соответствовать потребностям в электроэнергии более 9% населения мира. К 2050 году более 20% всей электроэнергии можно будет обеспечивать за счет фотоэлектрических элементов.^[41]

Михаэль Либрайх, от Bloomberg New Energy Finance, предвидит переломный момент для солнечной энергии. Стоимость ветровой и солнечной энергии уже ниже, чем у обычного производства электроэнергии в некоторых частях мира, поскольку они резко упали и будут продолжать это делать. Он также утверждает, что электрическая сеть во всем мире значительно расширилась и готова принимать и распределять электроэнергию из возобновляемых источников. Кроме того, мировые цены на электроэнергию находились под сильным давлением со стороны возобновляемых источников энергии, которые отчасти были с энтузиазмом приняты потребителями.^[42]

Deutsche Bank видит "вторую золотую лихорадку" для фотоэлектрической промышленности. Сетевой паритет к январю 2014 года уже достигнута по крайней мере на 19 рынках. Фотоэлектрические элементы будут преобладать за зеленые тарифы, становится более конкурентоспособным по мере увеличения развертывания и дальнейшего падения цен.^[43]

В июне 2014 г. Barclays пониженные рейтинги облигаций коммунальных предприятий США. Barclays ожидает усиления конкуренции за счет роста собственного потребления из-за комбинации децентрализованных фотоэлектрических систем и жилых домов. хранение электроэнергии. Это может коренным образом изменить бизнес-модель коммунального предприятия и трансформировать систему в течение следующих десяти лет, поскольку прогнозируется падение цен на эти системы.^[44]

В 2019 году лидирует Китай с установленной мощностью 205 ГВт. Второй - Европейский Союз с 132 ГВт. Второй штат - США с 76 ГВт. На третьем месте Япония с 63 ГВт. 10-е место занимает Франция с 10 ГВт. Установленная мощность быстро увеличивается за 4 года. Лидером по фотоэлектрической части всей электроэнергетической системы является Гондурас с 14,8%.^[45]

По состоянию на 2019 год у Вьетнама самая высокая установленная мощность в Юго-Восточной Азии - около 4,5 ГВт.^[46] Среднегодовая скорость установки около 90 Вт на душу населения в год ставит Вьетнам в число мировых лидеров.^[46]

Драйверы и препятствия для роста

Обнаружено, что щедрый льготный тариф (FIT) и поддерживающая политика, такая как налоговые льготы, являются основными непосредственными движущими силами бума в области солнечных панелей во Вьетнаме. К основным движущим факторам относятся стремление правительства повысить самообеспеченность энергией и спрос населения на качество окружающей среды на местах.^[46]

Ключевым препятствием является ограниченная пропускная способность сети передачи.^[46]

Топ-10 фотоэлектрических стран в 2019 году (МВт)

Установленная и общая мощность солнечной энергии в 2019 г. (МВт)[47] # Нация Общая емкость Добавленная емкость 1 Китай 204,700 30,100 2 Соединенные Штаты 75,900 13,300 3 Япония 63,000 7,000 4 Германия 49,200 3,900 5 Индия 42,800 9,900 6 Италия 20,800 600 7 Австралия 15,928 3,700 8 объединенное Королевство 13,300 233 9 Южная Корея 11,200 3,100 10 Франция 9,900 900

Данные: МЭА-ПВПС Снимок мировых рынков фотоэлектрических систем 2020 отчет, апрель 2020[47] Также см Солнечная энергия по странам для получения полного и постоянно обновляемого списка

Воздействие фотоэлектрических технологий на окружающую среду

Виды ударов

Хотя солнечные фотоэлектрические (PV) элементы перспективны для производства чистой энергии, их развертыванию препятствуют производственные затраты, доступность материалов и токсичность.^[48] Данные, необходимые для изучения их воздействия, иногда подвержены довольно большой неопределенности. Например, стоимость человеческого труда и потребления воды не оценивается точно из-за отсутствия систематического и точного анализа в научной литературе.^[2]

Оценка жизненного цикла (LCA) - один из методов определения воздействия фотоэлектрических систем на окружающую среду. Было проведено множество исследований различных типов фотоэлектрических систем, включая: первое поколение, второе поколение, и третье поколение. Обычно эти исследования PV LCA выбирают от колыбели до ворот границы системы, потому что часто во время проведения исследований это новая технология, еще не имеющаяся в продаже, а требуемый баланс компонентов системы и методы утилизации неизвестны.^[49]

Традиционный LCA может рассматривать множество различных категорий воздействия, начиная от потенциал глобального потепления, экотоксичность, человеческая токсичность, истощение запасов воды и многие другие.

Большинство ОЖЦ фотоэлектрических систем сосредоточены на двух категориях: эквиваленты углекислого газа на кВтч и срок окупаемости энергии (EPBT). EPBT определяется как «время, необходимое для компенсации всей возобновляемой и невозобновляемой первичной энергии, необходимой в течение жизненного цикла фотоэлектрической системы».^[50] Обзор EPBT от фотоэлектрической системы первого и второго поколения за 2015 год^[51] предположил, что было больше изменений во встроенной энергии, чем в эффективности ячеек, подразумевая, что в основном встроенная энергия должна быть уменьшена, чтобы иметь большее снижение EPBT. Одна из трудностей в определении воздействий, вызванных ФЭ, состоит в том, чтобы определить, выбрасываются ли отходы в воздух, воду или почву на этапе производства.^[52] В настоящее время проводятся исследования, чтобы попытаться понять выбросы и выбросы в течение срока службы фотоэлектрических систем.^[52]

Воздействие фотоэлектрических систем первого поколения

Кристаллический кремний модули являются наиболее изученным типом фотоэлектрических модулей с точки зрения LCA, поскольку они наиболее часто используются. Монокристаллический кремний фотоэлектрические системы (моно-си) имеют средний КПД 14,0%.^[53] Ячейки имеют тенденцию следовать структуре переднего электрода, антиотражающей пленки, n-слоя, p-слоя и заднего электрода, при этом солнце попадает на передний электрод. EPBT составляет от 1,7 до 2,7 лет.^[54] Колыбель к воротам CO₂-экв / кВтч колеблется от 37,3 до 72,2 грамма.^[55]

Методы производства мультикристаллический кремний (мульти-си) фотоэлектрические элементы проще и дешевле, чем моно-си, однако, как правило, они производят менее эффективные элементы, в среднем на 13,2%.^[53] EPBT составляет от 1,5 до 2,6 лет.^[54] Колыбель к воротам CO₂-экв / кВтч колеблется от 28,5 до 69 граммов.^[55] Некоторые исследования выходили за рамки EPBT и GWP на другие воздействия на окружающую среду. В одном из таких исследований традиционная структура энергоснабжения в Греции сравнивалась с многослойной фотоэлектрической системой и обнаружила общее снижение воздействия на 95%, включая канцерогены, экотоксичность, подкисление, эвтрофикацию и одиннадцать других.^[56]

Воздействие второго поколения

Теллурид кадмия (CdTe) - один из самых быстрорастущих тонкопленочные солнечные элементы которые вместе известны как устройства второго поколения. Это новое тонкопленочное устройство также имеет аналогичные ограничения производительности (Предел эффективности Шокли-Кайссера ) как обычные Si-устройства, но обещает снизить стоимость каждого устройства за счет снижения потребления материалов и энергии во время производства. Сегодня доля CdTe на мировом рынке составляет 5,4% по сравнению с 4,7% в 2008 году.^[52] Наивысшая эффективность преобразования мощности этой технологии составляет 21%.^[57] 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 на производство, чем другие коммерческие фотоэлектрические системы на единицу выработки электроэнергии. Средний CO₂-экв / кВтч составляет около 18 грамм (от колыбели до ворот). CdTe имеет самый быстрый EPBT из всех коммерческих фотоэлектрических технологий, который варьируется от 0,3 до 1,2 года.^[58]

Диселенид меди, индия, галлия (CIGS) - это тонкопленочный солнечный элемент на основе семейства халькопирита диселенида меди и индия (CIS). полупроводники. CIS и CIGS часто используются как взаимозаменяемые в сообществе CIS / CIGS. Структура ячейки включает натриево-кальциевое стекло в качестве подложки, слой Mo в качестве заднего контакта, CIS / CIGS в качестве абсорбирующего слоя, сульфид кадмия (CdS) или Zn (S, OH) x в качестве буферного слоя и ZnO: Al в качестве передний контакт.^[59] CIGS составляет примерно 1/100 толщины обычных кремниевых солнечных элементов. Материалы, необходимые для сборки, легко доступны, и их стоимость в расчете на ватт солнечного элемента ниже. Солнечные устройства на основе CIGS устойчивы к снижению производительности с течением времени и очень стабильны в полевых условиях.

Сообщаемое потенциальное воздействие CIGS на глобальное потепление варьируется от 20,5 до 58,8 граммов CO.₂-экв. / кВтч выработанной электроэнергии для разных солнечное излучение (От 1700 до 2200 кВтч / м²/ год) и КПД преобразования энергии (7,8 - 9,12%).^[60] EPBT составляет от 0,2 до 1,4 года,^[58] тогда как согласованное значение EPBT было найдено 1,393 года.^[51] Токсичность - это проблема буферного слоя модулей CIGS, поскольку он содержит кадмий и галлий.^[49][61] Модули CIS не содержат тяжелых металлов.

Воздействие третьего поколения

Фотоэлектрические системы третьего поколения объединяют в себе преимущества устройств первого и второго поколения и не имеют Предел Шокли-Кайссера, теоретический предел для фотоэлементов первого и второго поколения. Толщина устройства третьего поколения составляет менее 1 мкм.^[62]

Одна из появляющихся альтернативных и многообещающих технологий основана на органически-неорганическом гибридном солнечном элементе, изготовленном из перовскитов галогенида метиламмония и свинца. Перовскитовые фотоэлементы быстро прогрессировали за последние несколько лет и стали одной из самых привлекательных областей для фотоэлектрических исследований.^[63] Структура ячейки включает металлический задний контакт (который может быть изготовлен из Al, Au или Ag), слой переноса дырок (спиро-MeOTAD, P3HT, PTAA, CuSCN, CuI или NiO) и слой поглотителя (CH₃NH₃PbIxBr₃-x, CH₃NH₃PbIxCl₃-x или CH₃NH₃PbI₃), слой переноса электронов (TiO, ZnO, Al₂О₃ или SnO₂) и верхний контактный слой (оксид олова, легированный фтором, или оксид индия, легированный оловом).

Существует ограниченное количество опубликованных исследований, посвященных воздействию перовскитных солнечных элементов на окружающую среду.^[63][64][65] Основную экологическую проблему представляет свинец, используемый в абсорбирующем слое. Из-за нестабильности перовскитных ячеек свинец может со временем попадать в пресную воду на этапе использования. Эти исследования LCA изучали человеческую и экотоксичность перовскитных солнечных элементов и обнаружили, что они были на удивление низкими и не могли быть экологической проблемой.^[64][65] Потенциал глобального потепления ФВ перовскита находится в диапазоне 24–1500 граммов CO.₂-экв. / кВтч выработки электроэнергии. Точно так же заявленный EPBT опубликованной статьи составляет от 0,2 до 15 лет. Большой диапазон представленных значений подчеркивает неопределенности, связанные с этими исследованиями. Celik et al. (2016) критически обсудили допущения, сделанные в исследованиях перовскитного PV LCA.^[63]

Две новые многообещающие тонкопленочные технологии: сульфид меди цинка олова (Cu₂ZnSnS₄ или CZTS),^[49] фосфид цинка (Zn₃п₂)^[49] и одностенные углеродные нанотрубки (ОСУНТ).^[66] Эти тонкие пленки в настоящее время производятся только в лаборатории, но в будущем могут быть коммерциализированы. Производство CZTS и (Zn₃п₂) процессы, как ожидается, будут аналогичны текущим технологиям тонких пленок CIGS и CdTe, соответственно. А абсорбирующий слой из SWCNT PV предполагается синтезировать методом CoMoCAT.^[67] В отличие от установленных тонких пленок, таких как CIGS и CdTe, CZTS, Zn₃п₂, и фотоэлектрические панели из SWCNT изготавливаются из нетоксичных материалов, богатых землей, и могут производить больше электроэнергии в год, чем текущее мировое потребление.^[68][69] В то время как CZTS и Zn₃п₂ являются многообещающими по этим причинам, конкретные экологические последствия их коммерческого производства еще не известны. Потенциал глобального потепления CZTS и Zn₃п₂ были обнаружены 38 и 30 граммов СО₂-экв. / кВтч, тогда как соответствующие EPBT составили 1,85 и 0,78 года соответственно.^[49] В целом, CdTe и Zn₃п₂ оказывают аналогичное воздействие на окружающую среду, но могут немного превзойти CIGS и CZTS.^[49] Celik et al. провела первое исследование LCA воздействия на окружающую среду ФЭ из SWCNT, включая лабораторное устройство с эффективностью 1% и четырехэлементное тандемное устройство с эффективностью 28%, и интерпретировала результаты, используя моно-Si в качестве ориентира.^[66] Результаты показывают, что по сравнению с монокристаллическим Si (моно-Si), воздействие на окружающую среду от 1% ОСУНТ было в ~ 18 раз выше, в основном из-за короткого срока службы в три года. Однако даже при таком же коротком сроке службы 28% -ный элемент оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем моно-Si.

Органический и полимерные фотоэлектрические (ОПВ) - относительно новая область исследований. Традиционные слои структуры ячеек OPV состоят из полупрозрачного электрода, слоя блокировки электронов, туннельного перехода, слоя блокировки отверстий, электрода, при этом солнце падает на прозрачный электрод. OPV заменяет серебро на углерод в качестве электродного материала, что снижает стоимость производства и делает их более экологически чистыми.^[70] OPV отличаются гибкостью, малым весом и хорошо подходят для массового производства рулонов.^[71] OPV использует «только обилие элементов в сочетании с чрезвычайно низким энергопотреблением за счет очень низких температур обработки с использованием только окружающих условий обработки на простом печатном оборудовании, обеспечивающем время окупаемости энергии».^[72] Текущий КПД составляет от 1 до 6,5%,^[50][73] однако теоретический анализ показывает многообещающую эффективность выше 10%.^[72]

Существует множество различных конфигураций ОПВ с использованием разных материалов для каждого слоя. Технология OPV конкурирует с существующими фотоэлектрическими технологиями с точки зрения EPBT, даже если в настоящее время они имеют более короткий срок эксплуатации. В исследовании 2013 года было проанализировано 12 различных конфигураций с эффективностью 2%, EPBT варьировался от 0,29 до 0,52 года на 1 м.² PV.^[74] Средний CO₂-экв. / кВтч для ОПВ составляет 54,922 грамма.^[75]

Экономика

Источник: Apricus[76]

За прошедшие годы произошли серьезные изменения в основных затратах, отраслевой структуре и рыночных ценах на солнечные фотоэлектрические технологии, и получение целостной картины изменений, происходящих в производственно-сбытовой цепочке во всем мире, является сложной задачей. Это связано с: «быстротой изменения затрат и цен, сложностью цепочки поставок фотоэлектрических систем, которая включает в себя большое количество производственных процессов, балансом системы (BOS) и затратами на установку, связанными с полными фотоэлектрическими системами, выбором разные каналы сбыта и различия между региональными рынками, на которых размещается фотоэлектрическая энергия ». Дальнейшие сложности возникают из-за множества различных инициатив по поддержке политики, которые были предприняты для облегчения коммерциализации фотоэлектрической энергии в разных странах.^[3]

В фотоэлектрической отрасли цены на модули резко упали с 2008 года. В конце 2011 года заводские цены на фотоэлектрические модули на основе кристаллического кремния упали ниже отметки 1,00 долл. / Вт. Стоимость установки $ 1,00 / Вт часто рассматривается в фотоэлектрической индустрии как достижение сеточная четность для PV. Технологический прогресс, совершенствование производственных процессов и реструктуризация отрасли означают, что в ближайшие годы вероятно дальнейшее снижение цен.^[3] По состоянию на 2017 год цены по соглашению о покупке электроэнергии для солнечных ферм ниже 0,05 долл. США / кВтч являются обычными в Соединенных Штатах, а самые низкие ставки в нескольких международных странах составляли около 0,03 долл. США / кВтч.^[40]

Финансовые стимулы для фотоэлектрических систем, такие как зеленые тарифы, часто предлагались потребителям электроэнергии для установки и эксплуатации солнечных электростанций. Правительство иногда также предлагало стимулы, чтобы побудить фотоэлектрическую отрасль достичь эффект масштаба необходимо, чтобы конкурировать там, где стоимость электроэнергии, произведенной с помощью фотоэлектрических систем, превышает стоимость существующей сети. Такая политика осуществляется для продвижения национальных или территориальных энергетическая независимость, высокие технологии создание рабочих мест и сокращение выбросы углекислого газа которые вызывают изменение климата. Из-за эффекта масштаба солнечные панели становятся менее дорогостоящими по мере того, как люди используют и покупают больше - поскольку производители увеличивают производство для удовлетворения спроса, ожидается, что в ближайшие годы стоимость и цена снизятся.

КПД солнечных элементов варьируется от 6% для солнечных элементов на основе аморфного кремния до 44,0% для многопереходных. концентрированная фотовольтаика.^[77] Эффективность преобразования энергии солнечных элементов в коммерчески доступных фотоэлектрических элементах составляет около 14–22%.^[78][79] Концентрированные фотоэлектрические элементы (CPV) могут снизить стоимость за счет концентрации до 1000 солнечных лучей (через увеличительную линзу) на фотоэлектрических элементах меньшего размера. Однако такая концентрированная солнечная энергия требует сложной конструкции радиатора, в противном случае фотоэлектрический элемент перегревается, что снижает его эффективность и срок службы. Чтобы еще больше усугубить конструкцию концентрированного охлаждения, радиатор должен быть пассивным, иначе мощность, необходимая для активного охлаждения, снизит общую эффективность и экономичность.

Цены на солнечные элементы из кристаллического кремния упали с 76,67 долларов за ватт в 1977 году до примерно 0,74 доллара за ватт в 2013 году.^[80] Это рассматривается как свидетельство, подтверждающее Закон Свонсона, наблюдение, подобное известному Закон Мура в нем говорится, что цены на солнечные элементы падают на 20% при каждом удвоении производственных мощностей.^[80]

По оценкам Bloomberg New Energy Finance, по состоянию на 2011 год цена фотоэлектрических модулей упала на 60% с лета 2008 года, что позволило впервые поставить солнечную энергию на конкурентную основу с розничной ценой на электроэнергию в ряде солнечных страны; также был опубликован альтернативный и последовательный показатель снижения цен на 75% с 2007 по 2012 год,^[81] хотя неясно, относятся ли эти цифры к США или в целом к ​​миру. В приведенная стоимость электроэнергии (LCOE ) от фотоэлектрических систем конкурирует с традиционными источниками электроэнергии в расширяющемся списке географических регионов,^[82] особенно с учетом времени выработки, поскольку электричество днем ​​дороже, чем ночью.^[83] В цепочке поставок наблюдается жесткая конкуренция, и впереди ожидаются дальнейшие улучшения нормированной стоимости энергии для солнечной энергии, что создает растущую угрозу доминированию источников производства ископаемого топлива в следующие несколько лет.^[84] Со временем технологии возобновляемых источников энергии обычно дешевеют,^[85][86] в то время как ископаемое топливо обычно дорожает:

Чем меньше стоимость солнечной энергии, тем она выгоднее по сравнению с традиционной энергией и тем более привлекательной становится для коммунальных предприятий и потребителей энергии по всему миру. Солнечная энергия для коммунальных предприятий теперь может поставляться в Калифорнию по ценам значительно ниже, чем на 100 долларов США / МВтч (0,10 доллара США / кВтч), чем у большинства других пиковых генераторов, даже работающих на дешевом природном газе. Более низкие затраты на солнечные модули также стимулируют спрос со стороны потребительских рынков, где стоимость солнечной энергии очень выгодна по сравнению с розничными тарифами на электроэнергию.^[87]

Цена за ватт история для обычных (c-Si ) солнечные элементы с 1977 года.

По состоянию на 2011 год стоимость фотоэлектрической энергии упала значительно ниже стоимости ядерной энергетики и будет продолжать падать. Средняя розничная цена солнечных элементов, отслеживаемая группой Solarbuzz, упала с 3,50 доллара за ватт до 2,43 доллара за ватт в течение 2011 года.^[88]

Для крупномасштабных установок были достигнуты цены ниже 1,00 доллара за ватт. Цена модуля в размере 0,60 евро / ватт (0,78 доллара США / ватт) была опубликована для крупномасштабной пятилетней сделки в апреле 2012 года.^[89]

К концу 2012 года цена «лучшего в своем классе» модуля упала до 0,50 доллара за ватт, а к 2017 году ожидается снижение до 0,36 доллара за ватт.^[90]

Во многих местах фотоэлектрическая энергия достигла сетевого паритета, который обычно определяется как затраты на производство фотоэлектрической энергии на уровне розничных цен на электроэнергию или ниже (хотя часто все еще выше цен электростанций на угольную или газовую генерацию без учета затрат на распределение и других затрат). Однако во многих странах все еще существует потребность в большем доступе к капиталу для развития фотоэлектрических проектов. Чтобы решить эту проблему секьюритизация был предложен и использован для ускорения развития солнечных фотоэлектрических проектов.^[91][92] Например, SolarCity предложил первый США обеспеченная активами безопасность в солнечной отрасли в 2013 году.^[93]

Фотоэлектрическая энергия также вырабатывается в течение дня, близкого к пиковому спросу (предшествующего ему) в электроэнергетических системах с интенсивным использованием кондиционирования воздуха. Поскольку крупномасштабная работа фотоэлектрических систем требует поддержки в виде вращающихся резервов, их предельные затраты на генерацию в середине дня обычно самые низкие, но не нулевые, когда фотоэлектрические системы вырабатывают электричество. Это можно увидеть на Рисунке 1 этой статьи:^[94] В более общем плане сейчас очевидно, что при цене на углерод в 50 долларов за тонну, что повысит цену угольной энергии на 5 центов / кВт · ч, солнечные фотоэлектрические панели будут конкурентоспособными по стоимости в большинстве мест. Снижение цен на фотоэлектрические системы отразилось на быстрорастущих установках, которые составили около 23 ГВт в 2011 году. Хотя в 2012 году вероятна некоторая консолидация, из-за сокращения поддержки на крупных рынках Германии и Италии, сильный рост, вероятно, продолжится для остальных. десятилетия. Уже, по одной из оценок, общий объем инвестиций в возобновляемые источники энергии в 2011 году превысил инвестиции в производство электроэнергии на основе углерода.^[88]

При самостоятельном потреблении срок окупаемости рассчитывается исходя из того, сколько электроэнергии не доставлено из сети. Кроме того, использование фотоэлектрической солнечной энергии для зарядки батарей постоянного тока, которые используются в подключаемых к электросети гибридных электромобилях и электромобилях, приводит к большей эффективности. Традиционно электроэнергию постоянного тока, генерируемую солнечными фотоэлектрическими батареями, необходимо преобразовывать в переменный ток для зданий, что дает в среднем 10% потерь во время преобразования. Дополнительная потеря эффективности происходит при переходе обратно на постоянный ток для устройств и транспортных средств с батарейным питанием, и с использованием различных процентных ставок и изменений цен на электроэнергию были рассчитаны текущие значения в диапазоне от 2 057 до 8 213 долларов (анализ за 2009 год).^[95]

Например, в Германии при цене на электроэнергию 0,25 евро / кВтч и Инсоляция 900 кВтч / кВт один кВт_п сэкономит 225 евро в год, а при стоимости установки 1700 евро / кВт_п означает, что система окупится менее чем за 7 лет (например, за 2013 год).^[96]

Производство

В целом производственный процесс создания солнечных фотоэлектрических элементов прост в том, что он не требует сборки множества сложных или движущихся частей. Из-за твердотельного состояния фотоэлектрических систем они часто имеют относительно длительный срок службы, от 10 до 30 лет. Чтобы увеличить электрическую мощность фотоэлектрической системы, производитель должен просто добавить больше фотоэлектрических компонентов, и из-за этого экономия на масштабе важна для производителей, так как затраты снижаются с увеличением производительности.^[97]

Хотя известно много типов фотоэлектрических систем, которые, как известно, являются эффективными, фотоэлектрические системы из кристаллического кремния составляли около 90% мирового производства фотоэлектрических систем в 2013 году. Производство кремниевых фотоэлектрических систем состоит из нескольких этапов. Сначала поликремний обрабатывается из добытого кварца до очень чистой (полупроводниковой) марки. Он расплавляется, когда небольшое количество бор, элемент III группы, добавляются, чтобы сделать полупроводник p-типа богатым электронными дырками. Обычно слиток этого раствора выращивают из жидкого поликристалла, используя затравочный кристалл. Слиток также может быть отлит в изложнице. Пластины из этого полупроводникового материала вырезаются из сыпучего материала проволочными пилами, а затем подвергаются травлению поверхности перед очисткой. Затем пластины помещают в печь для осаждения из паровой фазы фосфора, которая покрывает очень тонкий слой фосфора, элемента группы V, который создает полупроводниковую поверхность n-типа. Чтобы уменьшить потери энергии, на поверхность добавлено антибликовое покрытие вместе с электрическими контактами. После завершения работы ячейки ячейки подключаются через электрическую цепь в соответствии с конкретным применением и готовятся к отправке и установке.^[98]

Кристаллические кремниевые фотоэлектрические элементы - это только один из типов фотоэлектрических модулей, и хотя они представляют собой большинство солнечных элементов, производимых в настоящее время, существует множество новых и многообещающих технологий, которые могут быть расширены для удовлетворения будущих потребностей в энергии. По состоянию на 2018 год технология кристаллических кремниевых элементов служит основой для нескольких типов фотоэлектрических модулей, включая монокристаллические, мультикристаллические, моно PERC и двусторонние.^[99]

Другая более новая технология, тонкопленочные фотоэлектрические элементы, производятся путем нанесения полупроводниковых слоев на подложку в вакууме. Подложка часто представляет собой стекло или нержавеющую сталь, и эти полупроводниковые слои состоят из многих типов материалов, включая теллурид кадмия (CdTe), диселенид меди и индия (CIS), диселенид меди, индия и галлия (CIGS) и аморфный кремний (a-Si ). После нанесения на подложку полупроводниковые слои разделяются и соединяются электрической цепью с помощью лазерного скрайбирования. Тонкопленочные фотоэлектрические элементы в настоящее время составляют около 20% от общего производства фотоэлектрических модулей из-за меньших требований к материалам и стоимости изготовления модулей, состоящих из тонких пленок, по сравнению с пластинами на основе кремния.^[100]

Другие развивающиеся фотоэлектрические технологии включают в себя органические, сенсибилизированные красителями, квантовые точки и фотоэлектрические элементы на основе перовскита.^[101] ОПВ относятся к категории производства тонких пленок и обычно работают в диапазоне эффективности около 12%, что ниже, чем 12–21%, которые обычно наблюдаются у фотоэлектрических модулей на основе кремния. Поскольку органические фотоэлектрические элементы требуют очень высокой чистоты и являются относительно реактивными, их необходимо инкапсулировать, что значительно увеличивает стоимость производства и означает, что они неосуществимы для крупномасштабного увеличения. Сенсибилизированные красителем ФВ по эффективности аналогичны ОПВ, но их значительно проще производить. Однако эти сенсибилизированные красителем фотоэлектрические элементы создают проблемы при хранении, поскольку жидкий электролит токсичен и потенциально может проникать в пластмассы, используемые в элементе. Солнечные элементы с квантовыми точками представляют собой сенсибилизированные квантовыми точками DSSC и обрабатываются решениями, что означает, что они потенциально масштабируемы, но в настоящее время они достигают максимальной эффективности 12%. Перовскитные солнечные элементы являются очень эффективным преобразователем солнечной энергии и обладают отличными оптоэлектрическими свойствами для фотоэлектрических целей, но они дороги и сложны в производстве.^[102]

Приложения

Фотоэлектрические системы

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

• Интегрированные системы крыш и зданий

ФЭ на крыше фахверкового дома

Фотоэлектрические батареи часто ассоциируются со зданиями: они либо встроены в них, либо установлены на них, либо установлены поблизости на земле. Крышные фотоэлектрические системы чаще всего модернизируются в существующие здания, обычно устанавливаются поверх существующей конструкции крыши или на существующих стенах. В качестве альтернативы массив может быть расположен отдельно от здания, но подключен кабелем для подачи питания в здание. Интегрированная в здание фотоэлектрическая система (BIPV) все чаще встраиваются в крышу или стены новых жилых и промышленных зданий в качестве основного или вспомогательного источника электроэнергии.^[103] Иногда также используется черепица со встроенными фотоэлементами. При наличии открытого зазора, в котором может циркулировать воздух, солнечные панели, установленные на крыше, могут обеспечить пассивное охлаждение воздействуют на здания днем, а также сохраняют накопленное тепло ночью.^[104] Обычно системы крышных жилых домов имеют небольшую мощность - около 5–10 кВт, в то время как коммерческие системы крышных домов часто составляют несколько сотен киловатт. Хотя системы на крыше намного меньше, чем наземные электростанции, они составляют большую часть мировой установленной мощности.^[105]

• Концентратор фотоэлектрические

Концентратор фотоэлектрические (CPV) - это фотоэлектрическая технология, которая в отличие от обычных фотоэлектрических систем с плоской пластиной использует линзы и изогнутые зеркала для фокусировки солнечного света на небольших, но очень эффективных, многопереходный (МДж) солнечные элементы. Кроме того, системы CPV часто используют солнечные трекеры а иногда и систему охлаждения для дальнейшего повышения их эффективности. Текущие исследования и разработки стремительно повышают их конкурентоспособность в сегменте коммунальных услуг и в областях с высоким уровнем солнечной энергии. инсоляция.

• Фотоэлектрический тепловой гибридный солнечный коллектор

Фотоэлектрический тепловой гибридный солнечный коллектор (PVT) - это системы, преобразующие солнечное излучение в тепловой и электрическая энергия. Эти системы объединяют солнечные фотоэлементы, преобразующие солнечный свет в электричество, с солнечный тепловой коллектор, который улавливает оставшуюся энергию и отводит тепло от фотоэлектрического модуля. Улавливание как электричества, так и тепла позволяет этим устройствам иметь более высокую эксергия и, таким образом, быть более энергоэффективным, чем солнечные фотоэлектрические или только солнечные тепловые.^[106][107]

• Энергостанции

Спутниковый снимок Топаз солнечная ферма

Многие полезности солнечные фермы были построены по всему миру. По состоянию на 2015 год мощность 579 мегаватт (МВт_AC) Солнечная звезда самый большой в мире фотоэлектрическая электростанция, за которым следует Солнечная ферма в пустыне и Топаз солнечная ферма, оба мощностью 550 МВт_AC, построенный американской компанией First Solar, с помощью CdTe модули, а тонкая пленка Фотоэлектрическая техника.^[108] Все три электростанции расположены в калифорнийской пустыне. Многие солнечные фермы по всему миру интегрированы с сельским хозяйством, а некоторые используют инновационные системы слежения за солнечными лучами, которые отслеживают ежедневный путь солнца по небу, чтобы производить больше электроэнергии, чем обычные стационарные системы. При эксплуатации электростанций отсутствуют расходы на топливо или выбросы.

• Электрификация сельской местности

Развивающиеся страны где многие деревни часто находятся на расстоянии более пяти километров от электросети, все чаще используются фотоэлектрические батареи. В отдаленных районах Индии в рамках программы сельского освещения используются солнечные энергии. СВЕТОДИОД освещение для замены керосиновых ламп. Лампы на солнечных батареях продавались примерно по цене керосина, запасенного на несколько месяцев.^[109][110] Куба работает над тем, чтобы обеспечить солнечной энергией районы, не подключенные к электросети.^[111] Более сложные применения внесетевого использования солнечной энергии включают: 3D принтеры.^[112] RepRap 3D-принтеры работают на солнечной энергии с использованием фотоэлектрических технологий,^[113] что позволяет распределенное производство для устойчивое развитие. Это области, в которых социальные издержки и выгоды являются отличным аргументом в пользу перехода на солнечную энергию, хотя из-за отсутствия рентабельности такие усилия были отнесены к гуманитарным усилиям. Однако в 1995 г. электрификация сельской местности Было установлено, что проекты трудно поддерживать из-за неблагоприятной экономической ситуации, отсутствия технической поддержки и унаследованных скрытых мотивов передачи технологий с севера на юг.^[114]

• Автономные системы

Примерно десять лет назад фотоэлектрические панели часто использовались для питания калькуляторов и новых устройств. Улучшения в интегральных схемах и малой мощности жидкокристаллические дисплеи позволяют питать такие устройства в течение нескольких лет между заменами батарей, что снижает частоту использования фотоэлектрических модулей. Напротив, удаленные стационарные устройства, работающие на солнечной энергии, в последнее время все чаще используются в местах, где из-за значительной стоимости подключения электроэнергия в сети становится непомерно дорогой. Такие приложения включают солнечные лампы, водяные насосы,^[115] паркоматы,^[116][117] телефоны экстренных служб, уплотнители мусора,^[118] временные дорожные знаки, зарядные станции,^[119][120] и удаленные посты охраны и сигналы.

• Плавающий солнечный

Там, где земля может быть ограничена, PV может быть развернут как плавающий солнечный. В мае 2008 года на винодельне Far Niente в Оквилле, штат Калифорния, была создана первая в мире «поплавковая вольтаическая» система, установив 994 фотоэлектрических солнечных панели на 130 понтонов и разместив их на оросительном пруду винодельни. Плавающая система генерирует около 477 кВт пиковой мощности и в сочетании с рядом ячеек, расположенных рядом с прудом, способна полностью компенсировать потребление электроэнергии винодельней.^[121] Основное преимущество плавучей системы состоит в том, что она позволяет избежать необходимости жертвовать ценной земельной площадью, которую можно было бы использовать для других целей. В случае с винодельней Far Niente плавучая система сэкономила три четверти акра, которые потребовались бы для наземной системы. Вместо этого этот участок земли можно использовать для сельского хозяйства.^[122] Еще одно преимущество плавающей солнечной системы состоит в том, что панели хранятся при более низкой температуре, чем на суше, что приводит к более высокой эффективности преобразования солнечной энергии. Плавающие панели также уменьшают потери воды из-за испарения и препятствуют росту водорослей.^[123]

• В транспорте

Солнечный импульс 2, а солнечный самолет

Фотоэлектрические панели традиционно использовались для производства электроэнергии в космосе. Фотоэлектрические системы редко используются для обеспечения движущей силы в транспортных средствах, но все чаще используются для обеспечения вспомогательной энергии на лодках и автомобилях. Некоторые автомобили оснащены кондиционерами на солнечных батареях для ограничения температуры в салоне в жаркие дни.^[124] Автономный солнечный автомобиль будет иметь ограниченную мощность и полезность, но заряжаемый от солнечных батарей электромобиль позволяет использовать солнечную энергию для транспортировки. Автомобили, лодки на солнечных батареях^[125] и самолеты^[126] были продемонстрированы, причем наиболее практичными и вероятными из них являются солнечные автомобили.^[127] Швейцарцы солнечный самолет, Солнечный Импульс 2 достигли самый длинный беспосадочный одиночный перелет в истории и завершил первый на солнечных батареях воздушное кругосветное плавание земного шара в 2016 году.

• Телекоммуникации и сигнализация

Солнечная фотоэлектрическая энергия идеально подходит для телекоммуникационных приложений, таких как местная телефонная станция, радио- и телевещание, микроволновая печь и другие формы электронных коммуникационных каналов. Это связано с тем, что в большинстве телекоммуникационных приложений аккумуляторные батареи уже используются, а электрическая система в основном работает на постоянном токе. В холмистой и гористой местности радио- и телевизионные сигналы могут не доходить, поскольку они блокируются или отражаются обратно из-за холмистой местности. В этих местах маломощные передатчики (LPT) установлены для приема и ретрансляции сигнала местному населению.^[128]

• Применение космических аппаратов

Часть Юнона солнечная батарея

Солнечные батареи на космических кораблях обычно являются единственным источником питания для датчиков, активного нагрева и охлаждения, а также связи. Батарея хранит эту энергию для использования, когда солнечные панели находятся в тени. В некоторых случаях мощность также используется для двигательная установка космического корабля —электрическая тяга.^[129] Космические аппараты были одним из первых применений фотоэлектрической энергии, начиная с кремниевых солнечных элементов, используемых на Авангард 1 спутник, запущенный США в 1958 году.^[130] С тех пор солнечная энергия использовалась в самых разных миссиях: МЕССЕНДЖЕР к Меркурию, так далеко в солнечной системе, как Юнона зонд к Юпитеру. Самая большая солнечная энергосистема, летающая в космосе, - это электрическая система Международной космической станции. Чтобы увеличить мощность, вырабатываемую на килограмм, в типичных солнечных панелях космических кораблей используются дорогие, высокоэффективные и плотно упакованные прямоугольные панели. многопереходные солнечные элементы сделано из арсенид галлия (GaAs) и другие полупроводниковые материалы.^[129]

• Специальные энергосистемы

Фотоэлектрические элементы могут также использоваться в качестве устройств преобразования энергии для объектов при повышенных температурах и с предпочтительными коэффициентами излучения, такими как неоднородные камеры сгорания.^[131]

• Внутренняя фотовольтаика (IPV)

Внутренние фотоэлектрические элементы могут обеспечивать питание Интернет вещей, таких как интеллектуальные датчики и устройства связи, обеспечивающие решение аккумулятор ограничения, такие как потребление энергии, токсичность и обслуживание. Окружающее внутреннее освещение, например Светодиоды и люминесцентные лампы, излучают достаточно излучения для питания небольших электронных устройств или устройств с низким энергопотреблением.^[132] В этих приложениях внутренняя фотоэлектрическая система сможет повысить надежность и увеличить срок службы беспроводные сети, что особенно важно с учетом значительного количества беспроводных датчиков, которые будут установлены в ближайшие годы.^[133]

Из-за отсутствия доступа к солнечная радиация, то интенсивность энергии, собираемой внутренними фотоэлектрическими элементами, обычно на три порядка меньше солнечного света, что влияет на эффективность фотоэлектрических элементов. Оптимальный запрещенная зона для внутреннего освещения составляет около 1,9-2 эВ по сравнению с оптимальным значением 1,4 эВ для сбора наружного света. Увеличение оптимальной ширины запрещенной зоны также приводит к увеличению напряжение холостого хода (VOC), что также влияет на эффективность.^[132] Кремний фотоэлектрические элементы, наиболее распространенный тип фотоэлементов на рынке, могут достигать эффективности только около 8% при использовании окружающего освещения в помещении по сравнению с их эффективностью 26% при солнечном свете. Одна из возможных альтернатив - использовать аморфный кремний, a-Si, так как он имеет более широкую запрещенную зону на 1,6 эВ по сравнению с его кристаллическим аналогом, что делает его более подходящим для захвата спектров света в помещении.^[134]

Другие перспективные материалы и технологии для внутренней фотоэлектрической энергии включают: тонкопленочные материалы, Комбайны легкие III-V, органическая фотовольтаика (OPV), и перовскитовые солнечные элементы.

• Тонкопленочные материалы, в частности CdTe, показали хорошие характеристики в условиях низкой освещенности и рассеянного света с шириной запрещенной зоны 1,5 эВ.^[135]

• Некоторые элементы III-V с одним переходом имеют запрещенную зону в диапазоне от 1,8 до 1,9 эВ, которые, как было показано, поддерживают хорошие характеристики при внутреннем освещении с эффективностью более 20%.^[136][137]

• Существуют различные органические фотоэлектрические системы, которые продемонстрировали эффективность более 16% от внутреннего освещения, несмотря на низкую эффективность сбора энергии под солнечным светом.^[138] Это связано с тем, что OPV имеют большой коэффициент поглощения, регулируемые диапазоны поглощения, а также небольшие токи утечки в тусклом свете, что позволяет им преобразовывать внутреннее освещение более эффективно по сравнению с неорганическими PV.^[132]

• Солнечные элементы из перовскита были протестированы на эффективность более 25% при слабом освещении.^[139] В то время как солнечные элементы из перовскита часто содержат свинец, что вызывает опасения по поводу токсичности, материалы, созданные на основе перовскита, также перспективны в качестве фотоэлектрических элементов для помещений.^[140] Несмотря на то, что на перовскитных ячейках проводится множество исследований, необходимы дальнейшие исследования, чтобы изучить его возможности для IPV и разработать продукты, которые можно использовать для работы в Интернете вещей.

Фото датчики

Фотодатчики находятся датчики из свет или другой электромагнитное излучение.^[141] Фотодетектор имеет p – n переход который преобразует световые фотоны в ток. Поглощенные фотоны составляют электронно-дырочные пары в область истощения. Фотодиоды и фототранзисторы - несколько примеров фотодетекторов. Солнечные батареи преобразовать часть поглощенной световой энергии в электрическую.

Преимущества

122PW солнечного света, достигающего поверхности Земли, много - почти в 10 000 раз больше, чем 13 ТВт эквивалента средней энергии, потребляемой людьми в 2005 году.^[142] Это изобилие наводит на мысль, что в ближайшее время солнечная энергия станет основным источником энергии в мире.^[143] Кроме того, солнечная генерация электроэнергии имеет самую высокую плотность мощности (среднемировое значение 170 Вт / м3).²) среди возобновляемых источников энергии.^[142]

Солнечная энергия не загрязняет окружающую среду во время использования, что позволяет сократить загрязнение, когда она заменяется другими источниками энергии. Например, Массачусетский технологический институт По оценкам, 52000 человек в год преждевременно умирают в США из-за загрязнения на угольных электростанциях.^[144] и всех этих смертей, кроме одного, можно было бы предотвратить, если бы вместо угля использовалась фотоэлектрическая энергия.^[145][146] Конечные отходы производства и выбросы можно регулировать с помощью существующих средств контроля загрязнения. Технологии утилизации отходов в стадии разработки^[147] и разрабатываются стратегии, поощряющие переработку производителями.^[148]

В идеале фотоэлектрические установки могут работать 100 лет или даже больше.^[149] с небольшим обслуживанием или вмешательством после их первоначальной настройки, поэтому после первоначального капитальные затраты строительства любой солнечной электростанции, операционные затраты чрезвычайно низки по сравнению с существующими энергетическими технологиями.

Подключенную к сети солнечную электроэнергию можно использовать на месте, что снижает потери при передаче / распределении (потери при передаче в США составляли примерно 7,2% в 1995 г.).^[150]

По сравнению с ископаемыми и ядерными источниками энергии, очень мало денег на исследования было вложено в разработку солнечных элементов, поэтому есть значительные возможности для улучшения. Тем не менее экспериментальные солнечные элементы высокой эффективности уже имеют КПД более 40% в случае концентрации фотоэлектрических элементов^[151] эффективность быстро растет, а затраты на массовое производство быстро падают.^[152]

В некоторых штатах США большая часть инвестиций в домашнюю систему может быть потеряна, если домовладелец переезжает, а покупатель придает системе меньшую ценность, чем продавец. Город Беркли разработали инновационный метод финансирования, чтобы снять это ограничение, добавив налоговую оценку, которая передается вместе с домом для оплаты солнечных панелей.^[153] Теперь известен как ПАСЕ, Недвижимость с оценкой чистой энергии, 30 штатов США дублировали это решение.^[154]

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

Исследование обнаружило убедительные доказательства того, что дома с фотоэлектрическими системами в Калифорнии продавались дороже, чем аналогичные дома без фотоэлектрических систем. В частности, оценки средней надбавки за фотоэлектрические компоненты варьируются от примерно 3,9 до 6,4 долларов за установленный ватт (DC) среди большого количества различных спецификаций моделей, при этом стоимость большинства моделей составляет около 5,5 долларов за ватт. Это значение соответствует надбавке приблизительно в 17 000 долларов за относительно новую фотоэлектрическую систему мощностью 3100 Вт (средний размер фотоэлектрических систем в исследовании).^[155]

Ограничения

• Загрязнение и энергия в производстве

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

• Воздействие на электрическую сеть

Для солнечных фотоэлектрических систем, устанавливаемых на крыше, поток энергии становится двусторонним. Когда местной генерации больше, чем потребления, электроэнергия экспортируется в сеть, что позволяет чистый замер. Однако электрические сети традиционно не предназначены для двусторонней передачи энергии, что может вызвать технические проблемы. Проблема перенапряжения может возникнуть, когда электричество будет перетекать из этих фотоэлектрических домов обратно в сеть.^[156] Существуют решения для управления проблемой перенапряжения, такие как регулирование коэффициента мощности фотоэлектрического инвертора, новое оборудование для контроля напряжения и энергии на уровне распределителя электроэнергии, перенаправление электрических проводов, управление со стороны спроса и т. Д. Часто существуют ограничения и связанные с расходами к этим решениям.

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

• Последствия для управления счетами за электроэнергию и инвестиций в энергию

Не существует серебряной пули в отношении электроэнергии или спроса на энергию и управления счетами, потому что у клиентов (объектов) разные конкретные ситуации, например разные потребности в комфорте / удобстве, разные тарифы на электроэнергию или разные модели использования. Тариф на электроэнергию может включать несколько элементов, таких как ежедневная плата за доступ и учет, плата за электроэнергию (на основе кВтч, МВтч) или плата за пиковое потребление (например, цена за максимальное 30-минутное потребление энергии в месяц). Фотоэлектрические системы являются многообещающим вариантом снижения платы за электроэнергию, когда цены на электроэнергию достаточно высоки и постоянно растут, например, в Австралии и Германии. Однако для участков с платой за пиковое потребление фотоэлектрическая энергия может быть менее привлекательной, если пиковые потребности в основном происходят в конце полудня или ранним вечером, например, в жилых районах. В целом, инвестиции в энергетику - это в значительной степени экономическое решение, и лучше принимать инвестиционные решения на основе систематической оценки вариантов улучшения работы, повышения энергоэффективности, производства на месте и хранения энергии.^[157][158]

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

• Нация чистых технологий: Как США могут стать лидером в новой глобальной экономике (2012) автор: Рон Перник и Клинт Уайлдер
• Развертывание возобновляемых источников энергии 2011 г. (2011) Международное энергетическое агентство
• Reinventing Fire: смелые бизнес-решения для эры новой энергии (2011) автор: Амори Ловинс
• Возобновляемые источники энергии и смягчение последствий изменения климата (2011) IPCC
• Перспективы солнечной энергетики (2011) Международное энергетическое агентство
• Насколько практична солнечная энергия для владельцев домов PH? от Рэпплер
• Проект SolarBankbility ЕС 09/2016. «Минимизация технических рисков в фотоэлектрических проектах» Отчет