Warum kann die Photovoltaik-Stromerzeugung eine führende Position in der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien einnehmen?

Verbraucher, Industrie und Regierungen ergreifen alle Maßnahmen, um den Einsatz erneuerbarer Energien zu steigern.Dies treibt das Stromerzeugungs- und -verteilungssystem von einer zentralisierten Hub-and-Spoke-Architektur hin zu einer stärker netzbasierten, lokalisierten Stromerzeugung und -verbrauch sowie stabiler Versorgung und Nachfrage durch intelligente Netzverbindungen.

Laut dem Kraftstoffbericht der Internationalen Energieagentur (IEA) vom Oktober 2019Bis 2024 wird die Erzeugung erneuerbarer Energien um 50 % steigen.

Dies bedeutet, dass die weltweite Kapazität zur Erzeugung erneuerbarer Energien um 1200 GW steigen wird, was der derzeit installierten Kapazität der Vereinigten Staaten entspricht.Der Bericht prognostiziert, dass 60 % des Anstiegs der erneuerbaren Energieerzeugung in Form von Solar-Photovoltaikanlagen erfolgen wird.

Der Bericht betont auch die Bedeutung dezentraler Photovoltaik-Stromerzeugungssysteme, da Verbraucher, Gewerbegebäude und Industrieanlagen beginnen, Strom selbst zu erzeugen.Sie prognostiziert, dass sich die dezentrale Photovoltaik-Stromerzeugung bis 2024 auf mehr als 500 GW mehr als verdoppeln wird.Das bedeutet, dassDie dezentrale Photovoltaik-Stromerzeugung wird fast die Hälfte des Gesamtwachstums der solaren Photovoltaik-Stromerzeugung ausmachen.

Solarvorteil

Warum nimmt die solare Photovoltaik-Stromerzeugung eine so führende Position beim Wachstum der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien ein?

Ein offensichtlicher Grund ist, dass die Sonne auf uns alle scheint und ihre Energie daher in großem Umfang genutzt wird.Dies bringt die Stromerzeugung näher an den Stromverbrauch und liefert den Strom an den netzunabhängigen Punkt, was besonders nützlich ist, um Verluste bei der Stromverteilung zu reduzieren.

Ein weiterer offensichtlicher Grund ist dieserEs gibt viel Sonnenenergie.Es gibt viele subtile Unterschiede bei der Berechnung, wie viel Energie die Erde von der Sonne erhält.Als Faustregel gilt, dass der durchschnittliche Meeresspiegel an einem sonnigen Tag 1 kW pro Quadratmeter beträgt. Wenn Faktoren wie Tag-Nacht-Zyklus, Einfallswinkel und Saisonalität berücksichtigt werden, beträgt der Durchschnitt pro Quadratmeter und Tag.M 6kWh.

Solarzellen nutzen den photoelektrischen Effekt, um einfallendes Licht in elektrische Energie in Form eines Photonenstroms umzuwandeln.Photonen werden von Halbleitermaterialien wie dotiertem Silizium absorbiert und ihre Energie regt Elektronen aus ihren Molekül- oder Atomorbitalen an.Diese Elektronen können dann die überschüssige Energie als Wärme abgeben und auf ihre Umlaufbahn zurückkehren oder sich zur Elektrode ausbreiten und Teil des Stroms werden, um die Potentialdifferenz auszugleichen, die sie an der Elektrode erzeugt.

Wie bei allen Energieumwandlungsprozessen wird nicht die gesamte in Solarzellen eingegebene Energie in der bevorzugten Form elektrischer Energie ausgegeben.Tatsächlich liegt die Energieeffizienz monokristalliner Silizium-Solarzellen seit vielen Jahren zwischen 20 % und 25 %.Die Chancen der Solarphotovoltaik sind jedoch so groß, dass das Forschungsteam seit Jahrzehnten daran arbeitet, immer komplexere Strukturen und Materialien zu verwenden, um die Effizienz der Zellumwandlung zu verbessern, wie in diesem Bild von NREL gezeigt.

Das Erreichen der gezeigten höheren Energieeffizienz geht in der Regel auf Kosten der Verwendung mehrerer unterschiedlicher Materialien und komplexerer und teurerer Herstellungstechniken.

Viele Solar-Photovoltaik-Geräte basieren auf verschiedenen Formen von kristallinem Silizium oder dünnen Schichten aus Silizium, Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Gallium-Selenid mit einem Umwandlungswirkungsgrad von 20 % bis 30 %.Die Batterie ist in das Modul eingebaut, und der Installateur kann diese Module als Grundeinheit für den Aufbau eines Photovoltaik-Solarstromerzeugungssystems verwenden.

Herausforderung der Energieeffizienz

Die Photovoltaik-Umwandlung wandelt auf jedem Quadratmeter der Erdoberfläche einfallende Kilowatt Sonnenenergie in 200 bis 300 W elektrische Energie um.Natürlich unter idealen Bedingungen.Die Umwandlungseffizienz kann jedoch aus folgenden Gründen verringert werden: Regen, Schnee und Staub, der sich auf der Oberfläche der Batterie ablagert, der Einfluss der Alterung von Halbleitermaterialien und die zunehmende Verschattung aufgrund von Umweltveränderungen wie dem Wachstum von Vegetation oder der Bau neuer Gebäude.

Daher ist die Realität so, dass Solarenergie zwar kostenlos ist, die Nutzung von Solarenergie zur Erzeugung nützlicher elektrischer Energie jedoch eine sorgfältige Optimierung jeder Phase der Sammlung, Speicherung und endgültigen Umwandlung in elektrische Energie erfordert.Eine der größten Möglichkeiten zur Verbesserung der Energieeffizienz ist die Gestaltung desWandler, das den Gleichstrom der Solaranlage (oder ihres Batteriespeichers) in Wechselstrom zur direkten Nutzung oder Übertragung über das Netz umwandelt.

Der Wechselrichter ändert die Polarität des DC-Eingangsstroms, um ihn an den AC-Ausgang heranzuführen.Je höher die Schaltfrequenz, desto höher ist die Umwandlungseffizienz.Ein einfacher Schalter kann einen Rechteckwellenausgang erzeugen, der eine ohmsche Last antreiben kann, aber durch Oberschwingungen werden komplexere elektronische Geräte beschädigt, die mit reinem Sinuswellen-Wechselstrom betrieben werden.Daher ist das Wechselrichterdesign zum Schlüssel zum Gleichgewicht geworden.Einerseits,Erhöhung der Schaltfrequenz zur Verbesserung der Energieeffizienz, Betriebsspannung und Stromerzeugung, andererseits,um die Kosten für Hilfskomponenten zur Glättung der Rechteckwelle zu minimieren.