Consumatori, industrie e governi stanno adottando misure per aumentare l’uso delle energie rinnovabili.Ciò sta spingendo il sistema di generazione e distribuzione dell’energia da un’architettura centralizzata hub-and-spoke a una generazione e un consumo di energia localizzati più basati sulla rete, e a un’offerta e una domanda stabili attraverso l’interconnessione della rete intelligente.
Secondo il rapporto sul carburante dell’ottobre 2019 dell’Agenzia internazionale per l’energia (IEA),entro il 2024 la produzione di energia rinnovabile aumenterà del 50%.
Ciò significa che la capacità globale di generazione di energia rinnovabile aumenterà di 1200 GW, che equivale all’attuale capacità installata degli Stati Uniti.Il rapporto prevede che il 60% dell’aumento della produzione di energia rinnovabile avverrà sotto forma di apparecchiature solari fotovoltaiche.
Il rapporto sottolinea inoltre l’importanza dei sistemi di generazione distribuita di energia fotovoltaica, poiché i consumatori, gli edifici commerciali e gli impianti industriali iniziano a generare elettricità da soli.Si prevede che entro il 2024 la produzione di energia fotovoltaica distribuita sarà più che raddoppiata, arrivando a superare i 500 GW.Ciò significa chela produzione di energia fotovoltaica distribuita rappresenterà quasi la metà della crescita totale della produzione di energia solare fotovoltaica.
Vantaggio solare
Perché la produzione di energia solare fotovoltaica sta assumendo una posizione di leadership nella crescita della produzione di energia da fonti rinnovabili?
Una ragione ovvia è che il sole splende su tutti noi, quindi la sua energia è ampiamente utilizzata.Ciò avvicina la produzione di energia al consumo energetico e fornisce energia al punto off-grid, il che è particolarmente utile per ridurre le perdite di distribuzione dell’energia.
Un altro motivo ovvio è quelloc'è molta energia solare.Ci sono molte sottili differenze nel calcolo della quantità di energia che la terra riceve dal sole.Una regola pratica è che il livello medio del mare è di 1kW per metro quadrato in una giornata soleggiata, oppure quando si considerano fattori come il ciclo giorno/notte, l’angolo di incidenza e la stagionalità, la media è per metro quadrato al giorno.M6kWh.
Le celle solari sfruttano l'effetto fotoelettrico per convertire la luce incidente in energia elettrica sotto forma di un flusso di fotoni.I fotoni vengono assorbiti dai materiali semiconduttori come il silicio drogato e la loro energia eccita gli elettroni dai loro orbitali molecolari o atomici.Questi elettroni sono quindi liberi di dissipare l'energia in eccesso sotto forma di calore e ritornare nella sua orbita, oppure diffondersi verso l'elettrodo e diventare parte della corrente per compensare la differenza di potenziale che crea sull'elettrodo.
Come per tutti i processi di conversione dell’energia, non tutta l’energia immessa nelle celle solari viene emessa nella forma preferita di energia elettrica.Infatti, l’efficienza energetica delle celle solari in silicio monocristallino oscilla da molti anni tra il 20% e il 25%.Tuttavia, le opportunità per il solare fotovoltaico sono così grandi che il gruppo di ricerca lavora da decenni per utilizzare strutture e materiali sempre più complessi per migliorare l’efficienza di conversione delle celle, come mostrato in questa immagine di NREL.
Il raggiungimento della maggiore efficienza energetica indicata avviene solitamente a scapito dell’utilizzo di molteplici materiali diversi e di tecniche di produzione più complesse e costose.
Molti dispositivi solari fotovoltaici si basano su varie forme di silicio cristallino o film sottili di silicio, tellururo di cadmio o seleniuro di rame indio gallio, con un'efficienza di conversione dal 20% al 30%.La batteria è integrata nel modulo e l'installatore può utilizzare questi moduli come unità di base per costruire un sistema di generazione di energia solare fotovoltaica.
La sfida dell’efficienza energetica
La conversione fotovoltaica converte i kilowatt di energia solare incidente su ogni metro quadrato della superficie terrestre in 200-300 W di energia elettrica.Naturalmente, questo è in condizioni ideali.Tuttavia, l'efficienza di conversione potrebbe ridursi a causa dei seguenti motivi: pioggia, neve e polvere depositate sulla superficie della batteria, influenza dell'invecchiamento dei materiali semiconduttori e maggiore ombra dovuta a cambiamenti ambientali come la crescita della vegetazione o la costruzione di nuovi edifici.
Pertanto, la realtà è che, sebbene l’energia solare sia gratuita, l’uso dell’energia solare per generare energia elettrica utile richiede un’attenta ottimizzazione di ogni fase di raccolta, stoccaggio e conversione finale in energia elettrica.Una delle maggiori opportunità per migliorare l’efficienza energetica è la progettazione delinverter, che converte l'uscita CC del pannello solare (o della sua batteria) in corrente CA per l'uso diretto o la trasmissione attraverso la rete.
L'inverter modifica la polarità della corrente di ingresso CC per avvicinarla all'uscita CA.Maggiore è la frequenza di commutazione, maggiore è l'efficienza di conversione.Un semplice interruttore può produrre un'uscita a onda quadra in grado di pilotare un carico resistivo, ma con le armoniche danneggerà apparecchiature elettroniche più complesse alimentate da pura onda sinusoidale CA.Pertanto, la progettazione dell'inverter è diventata la chiave per l'equilibrio.Da un lato,aumentando la frequenza di commutazione per migliorare l'efficienza energetica, la tensione operativa e la generazione di energia, d'altra parte,per ridurre al minimo il costo dei componenti ausiliari utilizzati per livellare l'onda quadra.
2021-04-16
