מדוע ייצור חשמל פוטו-וולטאי יכול לתפוס עמדה מובילה בייצור חשמל באנרגיה מתחדשת?

צרכנים, תעשיות וממשלות נוקטים כולם בצעדים להגברת השימוש באנרגיה מתחדשת.זה דוחף את מערכת ייצור והפצת החשמל מארכיטקטורת רכזת ודיבור מרכזית לייצור וצריכה מקומית מבוססת רשת יותר, והיצע וביקוש יציבים באמצעות חיבור רשת חכמה.

על פי דו"ח הדלק של סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA) מאוקטובר 2019,עד 2024, ייצור אנרגיה מתחדשת יגדל ב-50%.

המשמעות היא שיכולת ייצור האנרגיה המתחדשת העולמית תגדל ב-1200GW, המקבילה לקיבולת המותקנת הנוכחית של ארצות הברית.הדוח צופה כי 60% מהגידול בייצור אנרגיה מתחדשת יהיה בצורת ציוד פוטו-וולטאי סולארי.

הדו"ח גם מדגיש את החשיבות של מערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאיות מבוזרות, שכן צרכנים, מבנים מסחריים ומתקנים תעשייתיים מתחילים לייצר חשמל בעצמם.הוא צופה שעד 2024, ייצור חשמל פוטו-וולטאי מבוזר יוכפל יותר מ-500 GW.זה אומר שייצור חשמל פוטו-וולטאי מבוזר יהווה כמעט מחצית מהגידול הכולל של ייצור חשמל פוטו-וולטאי סולארי.

יתרון סולארי

מדוע ייצור חשמל פוטו-וולטאי סולארי תופס עמדה כה מובילה בצמיחה של ייצור חשמל באנרגיה מתחדשת?

סיבה ברורה אחת היא שהשמש זורחת על כולנו, ולכן האנרגיה שלה נמצאת בשימוש נרחב.זה מקרב את ייצור החשמל לצריכת החשמל ומספק את הכוח לנקודה מחוץ לרשת, וזה שימושי במיוחד להפחתת הפסדי חלוקת החשמל.

סיבה ברורה נוספת היא זאתיש הרבה אנרגיה סולארית.ישנם הבדלים עדינים רבים בחישוב כמה אנרגיה מקבל כדור הארץ מהשמש.כלל אצבע הוא שגובה פני הים הממוצע הוא 1kW למ"ר ביום שמש, או כאשר מתחשבים בגורמים כגון מחזור היום/לילה, זווית האירוע ועונתיות, הממוצע הוא למ"ר ליום.M 6kWh.

תאים סולאריים משתמשים באפקט הפוטואלקטרי כדי להמיר אור חודר לאנרגיה חשמלית בצורה של זרם פוטונים.פוטונים נספגים על ידי חומרים מוליכים למחצה כמו סיליקון מסומם, והאנרגיה שלהם מעוררת אלקטרונים מהאורביטלים המולקולריים או האטומיים שלהם.אלקטרונים אלה חופשיים אז לפזר את האנרגיה העודפת כחום ולחזור למסלולה, או להתפשט אל האלקטרודה ולהפוך לחלק מהזרם כדי לקזז את הפרש הפוטנציאלים שהוא יוצר על האלקטרודה.

כמו בכל תהליכי המרת אנרגיה, לא כל הזנת אנרגיה לתאים סולאריים מגיעה בצורה המועדפת של אנרגיה חשמלית.למעשה, היעילות האנרגטית של תאים סולאריים סיליקון חד גבישי נעה בין 20% ל-25% כבר שנים רבות.עם זאת, ההזדמנות לפוטו-וולטאים סולארית כה גדולה עד שצוות המחקר עבד במשך עשרות שנים להשתמש במבנים וחומרים מורכבים יותר ויותר כדי לשפר את יעילות ההמרה של התא, כפי שמוצג בתמונה זו על ידי NREL.

השגת היעילות האנרגטית הגבוהה יותר המוצגת היא בדרך כלל על חשבון שימוש במספר חומרים שונים וטכניקות ייצור מורכבות ויקרות יותר.

מכשירים פוטו-וולטאיים סולאריים רבים מבוססים על צורות שונות של סיליקון גבישי או סרטים דקים של סיליקון, קדמיום טלוריד או אינדיום נחושת גליום סלניד, עם יעילות המרה של 20% עד 30%.הסוללה בנויה במודול, והמתקין יכול להשתמש במודולים אלה כיחידה הבסיסית לבניית מערכת סולרית להפקת חשמל פוטו-וולטאית.

אתגר התייעלות אנרגטית

המרה פוטו-וולטאית ממירה קילוואט של אנרגיה סולארית המתרחשת על כל מטר מרובע של פני כדור הארץ ל-200 עד 300 וואט של אנרגיה חשמלית.כמובן שזה בתנאים אידיאליים.עם זאת, יעילות ההמרה עשויה להיות מופחתת מהסיבות הבאות: גשם, שלג ואבק המושקעים על פני הסוללה, השפעת ההזדקנות של חומרים מוליכים למחצה והצל המוגבר עקב שינויים סביבתיים כגון גידול צמחייה. או בניית מבנים חדשים.

לכן, המציאות היא שלמרות שאנרגיה סולארית היא בחינם, השימוש באנרגיה סולארית להפקת אנרגיה חשמלית שימושית דורש אופטימיזציה קפדנית של כל שלב של איסוף, אחסון והמרה סופית לאנרגיה חשמלית.אחת ההזדמנויות הגדולות ביותר לשיפור היעילות האנרגטית היא העיצוב שלממיר מתח, הממיר את פלט ה-DC של המערך הסולארי (או אחסון הסוללה שלו) לזרם AC לשימוש ישיר או העברה דרך הרשת.

המהפך משנה את הקוטביות של זרם הכניסה DC כדי שיהיה קרוב לפלט AC.ככל שתדירות המיתוג גבוהה יותר, כך יעילות ההמרה גבוהה יותר.מתג פשוט יכול לייצר פלט גל ריבועי שיכול להניע עומס התנגדות, אבל עם הרמוניות, הוא יפגע בציוד אלקטרוני מורכב יותר המופעל על ידי גל סינוס טהור AC.לכן, עיצוב אינוורטר הפך למפתח לאיזון.מצד אחד,הגדלת תדירות המיתוג כדי לשפר את יעילות האנרגיה, מתח הפעולה וייצור החשמל, מצד שני,כדי למזער את העלות של רכיבי עזר המשמשים להחלקת הגל הריבועי.