Почему фотоэлектрическая энергетика может занять лидирующие позиции в производстве электроэнергии из возобновляемых источников?

Потребители, промышленность и правительства принимают меры по увеличению использования возобновляемых источников энергии.Это подталкивает систему производства и распределения электроэнергии от централизованной звездообразной архитектуры к более локализованному производству и потреблению электроэнергии на основе сети, а также к стабильному спросу и предложению за счет объединения интеллектуальных сетей.

Согласно отчету Международного энергетического агентства (МЭА) по топливу за октябрь 2019 года,к 2024 году производство возобновляемой энергии увеличится на 50%.

Это означает, что мировая мощность производства возобновляемой энергии увеличится на 1200 ГВт, что эквивалентно текущей установленной мощности США.В докладе прогнозируется, что 60% увеличения производства возобновляемой энергии будет приходиться на солнечное фотоэлектрическое оборудование.

В докладе также подчеркивается важность распределенных фотоэлектрических систем выработки электроэнергии, поскольку потребители, коммерческие здания и промышленные объекты начинают самостоятельно вырабатывать электроэнергию.По прогнозам, к 2024 году мощность распределенной фотоэлектрической энергии увеличится более чем вдвое и превысит 500 ГВт.Это значит, чтоНа долю распределенной фотоэлектрической генерации будет приходиться почти половина общего роста производства солнечной фотоэлектрической энергии..

Солнечное преимущество

Почему производство солнечной фотоэлектрической энергии занимает такое лидирующее положение в развитии производства электроэнергии из возобновляемых источников?

Одна из очевидных причин заключается в том, что солнце светит всем нам, поэтому его энергия широко используется.Это приближает выработку электроэнергии к потребляемой мощности и доставляет ее в точку автономной сети, что особенно полезно для снижения потерь при распределении электроэнергии.

Другая очевидная причина заключается в том, чтоздесь много солнечной энергии.Существует много тонких различий в расчете того, сколько энергии Земля получает от Солнца.Эмпирическое правило заключается в том, что средний уровень моря составляет 1 кВт на квадратный метр в солнечный день, а если учитывать такие факторы, как цикл день/ночь, угол падения и сезонность, то среднее значение составляет на квадратный метр в день.М 6кВтч.

Солнечные элементы используют фотоэлектрический эффект для преобразования падающего света в электрическую энергию в виде потока фотонов.Фотоны поглощаются полупроводниковыми материалами, такими как легированный кремний, и их энергия возбуждает электроны с их молекулярных или атомных орбиталей.Эти электроны затем могут свободно рассеивать избыточную энергию в виде тепла и возвращаться на свою орбиту или распространяться к электроду и становиться частью тока, чтобы компенсировать разность потенциалов, которую он создает на электроде.

Как и во всех процессах преобразования энергии, не вся энергия, поступающая в солнечные элементы, выводится в предпочтительной форме электрической энергии.Фактически, энергоэффективность монокристаллических кремниевых солнечных элементов уже много лет колеблется между 20% и 25%.Однако возможности солнечной фотоэлектрической энергии настолько велики, что исследовательская группа десятилетиями работала над использованием все более сложных структур и материалов для повышения эффективности преобразования элементов, как показано на этом изображении NREL.

Достижение более высокой энергоэффективности обычно достигается за счет использования множества различных материалов и более сложных и дорогих технологий производства.

Многие солнечные фотоэлектрические устройства основаны на различных формах кристаллического кремния или тонких пленках кремния, теллурида кадмия или селенида меди, индия, галлия с эффективностью преобразования от 20% до 30%.Батарея встроена в модуль, и установщик может использовать эти модули в качестве основного блока для создания солнечной фотоэлектрической системы производства электроэнергии.

Проблема энергоэффективности

Фотоэлектрическое преобразование преобразует киловатты солнечной энергии, падающей на каждый квадратный метр земной поверхности, в электрическую энергию мощностью от 200 до 300 Вт.Конечно, это в идеальных условиях.Однако эффективность преобразования может снизиться по следующим причинам: дождь, снег и пыль, оседающие на поверхности батареи, влияние старения полупроводниковых материалов и повышенная тень из-за изменений окружающей среды, таких как рост растительности. или строительство новых зданий.

Таким образом, реальность такова, что, хотя солнечная энергия бесплатна, использование солнечной энергии для получения полезной электрической энергии требует тщательной оптимизации каждого этапа сбора, хранения и окончательного преобразования в электрическую энергию.Одной из самых больших возможностей повышения энергоэффективности является проектированиеинвертор, который преобразует выход постоянного тока солнечной батареи (или ее аккумулятора) в переменный ток для прямого использования или передачи через сеть.

Инвертор изменяет полярность входного постоянного тока, чтобы приблизить его к выходному переменному току.Чем выше частота переключения, тем выше эффективность преобразования.Простой переключатель может генерировать выходной сигнал прямоугольной формы, который может управлять резистивной нагрузкой, но из-за гармоник он повредит более сложное электронное оборудование, работающее от чистого синусоидального переменного тока.Таким образом, конструкция инвертора стала ключом к балансу.С одной стороны,увеличение частоты переключения для повышения энергоэффективности, рабочего напряжения и выработки электроэнергии, с другой стороны,минимизировать стоимость вспомогательных компонентов, используемых для сглаживания прямоугольной волны.