Hvorfor fotovoltaisk kraftproduksjon kan innta en ledende posisjon innen fornybar energiproduksjon?

Forbrukere, industrier og myndigheter tar alle tiltak for å øke bruken av fornybar energi.Dette presser kraftproduksjons- og distribusjonssystemet fra en sentralisert nav-og-eiker-arkitektur til en mer nettbasert lokalisert kraftproduksjon og -forbruk, og stabil tilbud og etterspørsel gjennom smart nettsammenkobling.

I følge Det internasjonale energibyråets (IEA) drivstoffrapport fra oktober 2019,innen 2024 vil produksjonen av fornybar energi øke med 50 %.

Dette betyr at den globale produksjonskapasiteten for fornybar energi vil øke med 1200GW, som tilsvarer dagens installerte kapasitet i USA.Rapporten spår at 60 % av økningen i fornybar energiproduksjon vil være i form av solcelleutstyr.

Rapporten understreker også viktigheten av distribuerte solcelleanlegg, ettersom forbrukere, næringsbygg og industrianlegg begynner å generere strøm på egenhånd.Den spår at innen 2024 vil distribuert fotovoltaisk kraftproduksjon mer enn dobles til mer enn 500 GW.Dette betyr atdistribuert fotovoltaisk kraftproduksjon vil utgjøre nesten halvparten av den totale veksten av solcellekraftproduksjon.

Solenergi fordel

Hvorfor tar solcellekraftproduksjon en så ledende posisjon i veksten av fornybar energiproduksjon?

En åpenbar grunn er at solen skinner på oss alle, så energien er mye brukt.Dette bringer kraftproduksjonen nærmere strømforbruket og leverer kraften til off-grid-punktet, noe som er spesielt nyttig for å redusere kraftdistribusjonstap.

En annen åpenbar grunn er detdet er mye solenergi.Det er mange subtile forskjeller når det gjelder å beregne hvor mye energi jorden mottar fra solen.En tommelfingerregel er at gjennomsnittlig havnivå er 1kW per kvadratmeter på en solrik dag, eller når faktorer som dag/natt-syklus, innfallsvinkel og sesongvariasjoner vurderes, er gjennomsnittet per kvadratmeter per dag.M 6kWh.

Solceller bruker den fotoelektriske effekten til å konvertere innfallende lys til elektrisk energi i form av en strøm av fotoner.Fotoner absorberes av halvledermaterialer som dopet silisium, og deres energi eksiterer elektroner fra deres molekylære eller atomære orbitaler.Disse elektronene er så frie til å spre overflødig energi som varme og gå tilbake til sin bane, eller spre seg til elektroden og bli en del av strømmen for å utligne potensialforskjellen den skaper på elektroden.

Som med alle energikonverteringsprosesser, er ikke all energitilførsel til solceller produsert i den foretrukne formen for elektrisk energi.Faktisk har energieffektiviteten til solceller i monokrystallinsk silisium ligget mellom 20 % og 25 % i mange år.Muligheten for solceller er imidlertid så stor at forskerteamet har jobbet i flere tiår for å bruke stadig mer komplekse strukturer og materialer for å forbedre effektiviteten av cellekonvertering, som vist på dette bildet av NREL.

Å oppnå den høyere energieffektiviteten som vises, går vanligvis på bekostning av bruk av flere forskjellige materialer og mer komplekse og kostbare produksjonsteknikker.

Mange solcelleapparater er basert på ulike former for krystallinsk silisium eller tynne filmer av silisium, kadmiumtellurid eller kobberindiumgalliumselenid, med en konverteringseffektivitet på 20 % til 30 %.Batteriet er innebygd i modulen, og installatøren kan bruke disse modulene som basisenhet for å bygge et solcelleanlegg for kraftproduksjon.

Energieffektiviseringsutfordring

Fotovoltaisk konvertering konverterer kilowatt solenergi som faller inn på hver kvadratmeter av jordens overflate til 200 til 300 W elektrisk energi.Selvfølgelig er dette under ideelle forhold.Konverteringseffektiviteten kan imidlertid reduseres på grunn av følgende årsaker: regn, snø og støv avsatt på overflaten av batteriet, påvirkning av aldring av halvledermaterialer og økt skygge på grunn av miljøendringer som vekst av vegetasjon eller bygging av nye bygg.

Derfor er realiteten at selv om solenergi er gratis, krever bruk av solenergi for å generere nyttig elektrisk energi nøye optimalisering av hvert trinn av innsamling, lagring og endelig konvertering til elektrisk energi.En av de største mulighetene for å forbedre energieffektiviteten er utformingen avinverter, som konverterer DC-utgangen til solcellepanelet (eller dens batterilagring) til vekselstrøm for direkte bruk eller overføring gjennom nettet.

Omformeren endrer polariteten til DC-inngangsstrømmen for å gjøre den nær AC-utgangen.Jo høyere byttefrekvens, desto høyere konverteringseffektivitet.En enkel bryter kan produsere en firkantbølgeutgang som kan drive en resistiv belastning, men med harmoniske vil den skade mer komplekst elektronisk utstyr drevet av ren sinusbølge AC.Derfor har inverterdesign blitt nøkkelen til balanse.På den ene siden,øke byttefrekvensen for å forbedre energieffektiviteten, driftsspenningen og kraftproduksjonen, på den andre siden,for å minimere kostnadene for hjelpekomponenter som brukes til å jevne ut firkantbølgen.