Dlaczego energetyka fotowoltaiczna może zajmować wiodącą pozycję w wytwarzaniu energii odnawialnej?

Konsumenci, przemysł i rządy podejmują działania mające na celu zwiększenie wykorzystania energii odnawialnej.Wypycha to system wytwarzania i dystrybucji energii ze scentralizowanej architektury typu „hub-and-szprychy” do lokalnego wytwarzania i zużycia energii w większym stopniu opartego na sieci oraz stabilnych dostaw i popytu dzięki wzajemnym połączeniom inteligentnych sieci.

Według raportu paliwowego Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) z października 2019 r.do 2024 roku produkcja energii odnawialnej wzrośnie o 50%.

Oznacza to, że globalna moc wytwórcza energii odnawialnej wzrośnie o 1200 GW, co odpowiada aktualnej mocy zainstalowanej w Stanach Zjednoczonych.W raporcie przewiduje się, że 60% wzrostu wytwarzania energii odnawialnej będzie realizowane w postaci urządzeń fotowoltaicznych.

W raporcie podkreślono także znaczenie rozproszonych systemów wytwarzania energii fotowoltaicznej, ponieważ odbiorcy, budynki komercyjne i obiekty przemysłowe zaczynają samodzielnie wytwarzać energię elektryczną.Przewiduje, że do 2024 r. rozproszona produkcja energii fotowoltaicznej wzrośnie ponad dwukrotnie, do ponad 500 GW.To znaczy żerozproszona produkcja energii fotowoltaicznej będzie odpowiadać za prawie połowę całkowitego wzrostu wytwarzania energii fotowoltaicznej.

Przewaga słoneczna

Dlaczego wytwarzanie energii fotowoltaicznej zajmuje tak wiodącą pozycję we wzroście wytwarzania energii odnawialnej?

Jednym z oczywistych powodów jest to, że słońce świeci na nas wszystkich, więc jego energia jest powszechnie wykorzystywana.Dzięki temu wytwarzanie energii jest zbliżone do zużycia energii i dostarcza ją do punktu poza siecią, co jest szczególnie przydatne w celu zmniejszenia strat w dystrybucji energii.

Innym oczywistym powodem jest tojest dużo energii słonecznej.Istnieje wiele subtelnych różnic w obliczaniu, ile energii Ziemia otrzymuje od słońca.Ogólna zasada jest taka, że ​​średni poziom morza w słoneczny dzień wynosi 1 kW na metr kwadratowy, a jeśli weźmie się pod uwagę takie czynniki, jak cykl dnia i nocy, kąt padania światła i sezonowość, średnia przypada na metr kwadratowy dziennie.M 6kWh.

Ogniwa słoneczne wykorzystują efekt fotoelektryczny do przekształcania padającego światła na energię elektryczną w postaci strumienia fotonów.Fotony są absorbowane przez materiały półprzewodnikowe, takie jak domieszkowany krzem, a ich energia wzbudza elektrony z ich orbitali molekularnych lub atomowych.Elektrony te mogą następnie rozproszyć nadmiar energii w postaci ciepła i powrócić na swoją orbitę lub rozprzestrzenić się na elektrodę i stać się częścią prądu, aby zrównoważyć różnicę potencjałów, którą tworzy na elektrodzie.

Podobnie jak w przypadku wszystkich procesów konwersji energii, nie cała energia wprowadzona do ogniw słonecznych jest wyprowadzana w preferowanej formie energii elektrycznej.W rzeczywistości efektywność energetyczna ogniw słonecznych z krzemu monokrystalicznego od wielu lat oscyluje w granicach 20–25%.Jednak możliwości, jakie stwarza fotowoltaika słoneczna, są tak ogromne, że zespół badawczy od dziesięcioleci pracuje nad wykorzystaniem coraz bardziej złożonych struktur i materiałów w celu poprawy wydajności konwersji ogniw, jak pokazano na tym zdjęciu wykonanym przez NREL.

Osiągnięcie wyższej efektywności energetycznej odbywa się zwykle kosztem zastosowania wielu różnych materiałów oraz bardziej złożonych i kosztownych technik produkcyjnych.

Wiele urządzeń fotowoltaicznych opiera się na różnych postaciach krzemu krystalicznego lub cienkich warstwach krzemu, tellurku kadmu lub selenku miedzi, indu i galu, o wydajności konwersji od 20% do 30%.W module wbudowany jest akumulator, a instalator może wykorzystać te moduły jako podstawową jednostkę do budowy fotowoltaicznego systemu wytwarzania energii.

Wyzwanie dotyczące efektywności energetycznej

Konwersja fotowoltaiczna przekształca kilowaty energii słonecznej padającej na każdy metr kwadratowy powierzchni ziemi na 200 do 300 W energii elektrycznej.Oczywiście w idealnych warunkach.Jednakże wydajność konwersji może zostać obniżona z następujących powodów: deszcz, śnieg i kurz osadzający się na powierzchni akumulatora, wpływ starzenia się materiałów półprzewodnikowych oraz zwiększone zacienienie na skutek zmian środowiskowych, takich jak wzrost roślinności lub budowę nowych budynków.

Dlatego rzeczywistość jest taka, że ​​chociaż energia słoneczna jest bezpłatna, jej wykorzystanie do wytworzenia użytecznej energii elektrycznej wymaga starannej optymalizacji każdego etapu gromadzenia, magazynowania i ostatecznego przekształcania w energię elektryczną.Jedną z największych możliwości poprawy efektywności energetycznej jest projektowaniefalownik, który przekształca moc wyjściową prądu stałego układu słonecznego (lub jego akumulatora) w prąd przemienny do bezpośredniego wykorzystania lub przesyłania przez sieć.

Falownik zmienia polaryzację prądu wejściowego DC, aby zbliżyć się do wyjścia AC.Im wyższa częstotliwość przełączania, tym wyższa wydajność konwersji.Prosty przełącznik może wytworzyć falę prostokątną, która może sterować obciążeniem rezystancyjnym, ale w przypadku harmonicznych spowoduje uszkodzenie bardziej złożonego sprzętu elektronicznego zasilanego czystą falą sinusoidalną prądu przemiennego.Dlatego konstrukcja falownika stała się kluczem do równowagi.Z jednej strony,zwiększenie częstotliwości przełączania w celu poprawy efektywności energetycznej, napięcia roboczego i wytwarzania energii, z drugiej strony,aby zminimalizować koszt elementów pomocniczych używanych do wygładzania fali prostokątnej.