Waarom fotovoltaïsche energieopwekking een leidende positie kan innemen op het gebied van de opwekking van hernieuwbare energie?

Consumenten, industrieën en overheden nemen allemaal maatregelen om het gebruik van hernieuwbare energie te vergroten.Dit duwt het energieopwekkings- en distributiesysteem van een gecentraliseerde hub-and-spoke-architectuur naar een meer op het elektriciteitsnet gebaseerde, gelokaliseerde energieopwekking en -verbruik, en stabiele vraag en aanbod via slimme netwerkinterconnectie.

Volgens het brandstofrapport van oktober 2019 van het Internationaal Energieagentschap (IEA):tegen 2024 zal de opwekking van hernieuwbare energie met 50% toenemen.

Dit betekent dat de mondiale opwekkingscapaciteit voor hernieuwbare energie met 1200 GW zal toenemen, wat overeenkomt met de huidige geïnstalleerde capaciteit van de Verenigde Staten.Het rapport voorspelt dat 60% van de toename van de opwekking van hernieuwbare energie zal plaatsvinden in de vorm van fotovoltaïsche apparatuur op zonne-energie.

Het rapport benadrukt ook het belang van gedistribueerde fotovoltaïsche energieopwekkingssystemen, nu consumenten, commerciële gebouwen en industriële faciliteiten zelf elektriciteit gaan opwekken.Het voorspelt dat in 2024 de gedistribueerde fotovoltaïsche energieopwekking meer dan zal verdubbelen tot meer dan 500 GW.Dit betekent datgedistribueerde fotovoltaïsche energieopwekking zal bijna de helft van de totale groei van de fotovoltaïsche energieopwekking voor zijn rekening nemen.

Zonne-voordeel

Waarom neemt fotovoltaïsche energieopwekking zo'n leidende positie in in de groei van de opwekking van duurzame energie?

Een voor de hand liggende reden is dat de zon op ons allemaal schijnt, dus de energie ervan wordt op grote schaal gebruikt.Hierdoor komt de stroomopwekking dichter bij het stroomverbruik en wordt de stroom geleverd aan het off-grid punt, wat vooral handig is om de verliezen bij de stroomdistributie te verminderen.

Een andere voor de hand liggende reden is dater is veel zonne-energie.Er zijn veel subtiele verschillen bij het berekenen van hoeveel energie de aarde van de zon ontvangt.Een vuistregel is dat het gemiddelde zeeniveau op een zonnige dag 1 kW per vierkante meter bedraagt, of dat, wanneer rekening wordt gehouden met factoren als de dag-/nachtcyclus, de invalshoek en seizoensinvloeden, het gemiddelde per vierkante meter per dag bedraagt.M 6kWh.

Zonnecellen gebruiken het foto-elektrische effect om invallend licht om te zetten in elektrische energie in de vorm van een stroom fotonen.Fotonen worden geabsorbeerd door halfgeleidermaterialen zoals gedoteerd silicium, en hun energie exciteert elektronen uit hun moleculaire of atomaire orbitalen.Deze elektronen zijn dan vrij om de overtollige energie als warmte af te voeren en terug te keren naar zijn baan, of zich naar de elektrode te verspreiden en deel uit te maken van de stroom om het potentiaalverschil dat het op de elektrode creëert te compenseren.

Zoals bij alle energieconversieprocessen wordt niet alle energie die in zonnecellen wordt ingevoerd, afgegeven in de voorkeursvorm van elektrische energie.In feite schommelt de energie-efficiëntie van monokristallijne siliciumzonnecellen al jaren tussen de 20% en 25%.De kansen voor fotovoltaïsche zonne-energie zijn echter zo groot dat het onderzoeksteam al tientallen jaren werkt aan het gebruik van steeds complexere structuren en materialen om de celconversie-efficiëntie te verbeteren, zoals blijkt uit deze foto van NREL.

Het bereiken van de getoonde hogere energie-efficiëntie gaat meestal ten koste van het gebruik van meerdere verschillende materialen en complexere en duurdere productietechnieken.

Veel fotovoltaïsche zonne-energieapparaten zijn gebaseerd op verschillende vormen van kristallijn silicium of dunne films van silicium, cadmiumtelluride of koperindiumgalliumselenide, met een conversie-efficiëntie van 20% tot 30%.De batterij is in de module ingebouwd en de installateur kan deze modules gebruiken als basiseenheid voor het bouwen van een fotovoltaïsch energieopwekkingssysteem.

Uitdaging op het gebied van energie-efficiëntie

Fotovoltaïsche conversie zet kilowatt zonne-energie die op elke vierkante meter van het aardoppervlak valt om in 200 tot 300 W elektrische energie.Uiteraard is dit onder ideale omstandigheden.De conversie-efficiëntie kan echter worden verminderd vanwege de volgende redenen: regen, sneeuw en stof die zich op het oppervlak van de batterij hebben afgezet, de invloed van de veroudering van halfgeleidermaterialen en de toegenomen schaduw als gevolg van veranderingen in de omgeving, zoals de groei van vegetatie of de bouw van nieuwe gebouwen.

Daarom is de realiteit dat hoewel zonne-energie gratis is, het gebruik van zonne-energie om nuttige elektrische energie op te wekken een zorgvuldige optimalisatie vereist van elke fase van verzameling, opslag en uiteindelijke omzetting in elektrische energie.Een van de grootste kansen om de energie-efficiëntie te verbeteren is het ontwerp van deomvormer, dat de gelijkstroomuitvoer van de zonnepanelen (of de batterijopslag ervan) omzet in wisselstroom voor direct gebruik of transmissie via het elektriciteitsnet.

De omvormer verandert de polariteit van de DC-ingangsstroom om deze dicht bij de AC-uitgang te brengen.Hoe hoger de schakelfrequentie, hoe hoger het conversierendement.Een eenvoudige schakelaar kan een blokgolfuitgang produceren die een resistieve belasting kan aandrijven, maar met harmonischen zal deze complexere elektronische apparatuur beschadigen die wordt aangedreven door zuivere sinusgolf-wisselstroom.Daarom is het ontwerp van de omvormer de sleutel tot evenwicht geworden.Aan de ene kant,het verhogen van de schakelfrequentie om de energie-efficiëntie, bedrijfsspanning en energieopwekking te verbeteren, aan de andere kant,om de kosten van hulpcomponenten die worden gebruikt om de blokgolf af te vlakken, te minimaliseren.