چرا تولید برق فتوولتائیک می تواند جایگاه پیشرو در تولید برق انرژی تجدیدپذیر را به خود اختصاص دهد؟

مصرف کنندگان، صنایع و دولت ها همگی اقداماتی را برای افزایش استفاده از انرژی های تجدیدپذیر انجام می دهند.این امر سیستم تولید و توزیع برق را از یک معماری مرکزی هاب و اسپیک به سمت تولید و مصرف محلی برق مبتنی بر شبکه و عرضه و تقاضای پایدار از طریق اتصال هوشمند به شبکه سوق می دهد.

بر اساس گزارش سوخت آژانس بین المللی انرژی (IEA) در اکتبر 2019،تا سال 2024، تولید انرژی های تجدیدپذیر 50 درصد افزایش می یابد.

این بدان معناست که ظرفیت تولید انرژی های تجدیدپذیر جهانی 1200 گیگاوات افزایش می یابد که معادل ظرفیت نصب شده فعلی ایالات متحده است.این گزارش پیش‌بینی می‌کند که 60 درصد افزایش تولید انرژی‌های تجدیدپذیر در قالب تجهیزات فتوولتائیک خورشیدی خواهد بود.

این گزارش همچنین بر اهمیت سیستم های تولید برق فتوولتائیک توزیع شده تاکید می کند، زیرا مصرف کنندگان، ساختمان های تجاری و تاسیسات صنعتی به تنهایی شروع به تولید برق می کنند.این پیش بینی می کند که تا سال 2024، تولید برق فتوولتائیک توزیع شده بیش از دو برابر شده و به بیش از 500 گیگاوات برسد.این به این معنی است کهتولید برق پراکنده فتوولتائیک تقریباً نیمی از رشد کل تولید برق فتوولتائیک خورشیدی را تشکیل می دهد..

مزیت خورشیدی

چرا تولید برق فتوولتائیک خورشیدی چنین جایگاه پیشرو در رشد تولید برق انرژی تجدیدپذیر دارد؟

یک دلیل واضح این است که خورشید به همه ما می تابد، بنابراین انرژی آن به طور گسترده ای استفاده می شود.این امر تولید برق را به مصرف برق نزدیک‌تر می‌کند و توان را به نقطه خارج از شبکه می‌رساند که به ویژه برای کاهش تلفات توزیع برق مفید است.

دلیل واضح دیگر این است کهانرژی خورشیدی زیادی وجود دارد.تفاوت های ظریف زیادی در محاسبه میزان انرژی دریافتی زمین از خورشید وجود دارد.یک قانون سرانگشتی این است که میانگین سطح دریا در یک روز آفتابی 1 کیلووات بر متر مربع است، یا زمانی که عواملی مانند چرخه روز/شب، زاویه حادثه و فصلی در نظر گرفته می‌شود، میانگین در هر متر مربع در روز است.M 6 کیلووات ساعت

سلول های خورشیدی از اثر فوتوالکتریک برای تبدیل نور فرودی به انرژی الکتریکی در قالب جریانی از فوتون ها استفاده می کنند.فوتون ها توسط مواد نیمه هادی مانند سیلیکون دوپ شده جذب می شوند و انرژی آنها الکترون ها را از اوربیتال های مولکولی یا اتمی خود تحریک می کند.سپس این الکترون‌ها آزادند تا انرژی اضافی را به عنوان گرما دفع کنند و به مدار خود بازگردند، یا به الکترود پخش شوند و بخشی از جریان شوند تا اختلاف پتانسیل ایجاد شده روی الکترود را جبران کنند.

مانند تمام فرآیندهای تبدیل انرژی، تمام انرژی ورودی به سلول های خورشیدی به شکل ترجیحی انرژی الکتریکی خروجی نمی شود.در واقع، راندمان انرژی سلول های خورشیدی سیلیکونی تک کریستالی برای سال ها بین 20 تا 25 درصد در نوسان بوده است.با این حال، فرصت برای فتوولتائیک های خورشیدی به قدری بزرگ است که تیم تحقیقاتی برای دهه ها کار کرده است تا از ساختارها و مواد پیچیده تر برای بهبود بازده تبدیل سلولی استفاده کند، همانطور که در این تصویر توسط NREL نشان داده شده است.

دستیابی به راندمان انرژی بالاتر نشان داده شده معمولاً به قیمت استفاده از مواد مختلف مختلف و تکنیک های ساخت پیچیده تر و گران تر است.

بسیاری از دستگاه های فتوولتائیک خورشیدی بر اساس اشکال مختلف سیلیکون کریستالی یا لایه های نازک سیلیکون، تلورید کادمیوم یا گالیم سلنید مس ایندیم با راندمان تبدیل 20٪ تا 30٪ ساخته شده اند.باتری در ماژول تعبیه شده است و نصاب می تواند از این ماژول ها به عنوان واحد اصلی برای ساخت یک سیستم تولید برق فتوولتائیک خورشیدی استفاده کند.

چالش بهره وری انرژی

تبدیل فتوولتائیک، کیلووات انرژی خورشیدی را در هر متر مربع از سطح زمین به 200 تا 300 وات انرژی الکتریکی تبدیل می کند.البته این در شرایط ایده آل است.با این حال، راندمان تبدیل ممکن است به دلایل زیر کاهش یابد: باران، برف و گرد و غبار رسوب در سطح باتری، تأثیر پیری مواد نیمه هادی، و افزایش سایه به دلیل تغییرات محیطی مانند رشد پوشش گیاهی. یا ساخت ساختمان های جدید.

بنابراین، واقعیت این است که اگرچه انرژی خورشیدی رایگان است، اما استفاده از انرژی خورشیدی برای تولید انرژی الکتریکی مفید مستلزم بهینه‌سازی دقیق هر مرحله از جمع‌آوری، ذخیره‌سازی و تبدیل نهایی به انرژی الکتریکی است.یکی از بزرگترین فرصت ها برای بهبود بهره وری انرژی، طراحی استمعکوس کننده، که خروجی DC آرایه خورشیدی (یا ذخیره باتری آن) را برای استفاده مستقیم یا انتقال از طریق شبکه به جریان AC تبدیل می کند.

اینورتر قطبیت جریان ورودی DC را تغییر می دهد تا آن را به خروجی AC نزدیک کند.هرچه فرکانس سوئیچینگ بیشتر باشد، بازده تبدیل بالاتری دارد.یک سوئیچ ساده می تواند یک خروجی موج مربعی تولید کند که می تواند بار مقاومتی را هدایت کند، اما با هارمونیک ها به تجهیزات الکترونیکی پیچیده تری که توسط موج سینوسی خالص AC تغذیه می شوند آسیب می رساند.بنابراین، طراحی اینورتر به کلید تعادل تبدیل شده است.از یک طرف،افزایش فرکانس سوئیچینگ برای بهبود بهره وری انرژی، ولتاژ کاری و تولید برق، از سوی دیگر،برای به حداقل رساندن هزینه اجزای کمکی مورد استفاده برای صاف کردن موج مربعی.