Prečo môže fotovoltaická výroba energie zaujať vedúce postavenie vo výrobe energie z obnoviteľných zdrojov?

Spotrebitelia, priemyselné odvetvia a vlády prijímajú opatrenia na zvýšenie využívania obnoviteľnej energie.To posúva systém výroby a distribúcie energie z centralizovanej architektúry typu hub-and-spoke k lokalizovanej výrobe a spotrebe energie založenej na sieti a stabilnej ponuke a dopytu prostredníctvom prepojenia inteligentných sietí.

Podľa správy Medzinárodnej energetickej agentúry (IEA) z októbra 2019 o palivách,do roku 2024 sa výroba obnoviteľnej energie zvýši o 50 %.

To znamená, že globálna kapacita výroby obnoviteľnej energie sa zvýši o 1200 GW, čo je ekvivalent súčasnej inštalovanej kapacity Spojených štátov.Správa predpovedá, že 60 % nárastu výroby obnoviteľnej energie bude vo forme solárnych fotovoltaických zariadení.

Správa tiež zdôrazňuje dôležitosť distribuovaných systémov na výrobu fotovoltaickej energie, pretože spotrebitelia, komerčné budovy a priemyselné zariadenia si začínajú vyrábať elektrinu sami.Predpovedá, že do roku 2024 sa distribuovaná výroba fotovoltaickej energie viac ako zdvojnásobí na viac ako 500 GW.To znamená, žedistribuovaná výroba fotovoltaickej energie bude predstavovať takmer polovicu celkového nárastu výroby solárnej fotovoltaickej energie.

Solárna výhoda

Prečo solárna fotovoltaická energia zaujíma takú vedúcu pozíciu v raste výroby energie z obnoviteľných zdrojov?

Jedným zo zrejmých dôvodov je, že slnko svieti na každého z nás, takže jeho energia je široko využívaná.To približuje výrobu energie k spotrebe energie a dodáva energiu do bodu mimo siete, čo je obzvlášť užitočné na zníženie strát pri distribúcii energie.

Ďalším zjavným dôvodom je toje tam veľa slnečnej energie.Existuje veľa jemných rozdielov vo výpočte, koľko energie Zem dostáva zo Slnka.Pravidlom je, že priemerná hladina mora je 1 kW na meter štvorcový za slnečného dňa, alebo keď sa zohľadnia faktory, ako je cyklus deň/noc, uhol dopadu a sezónnosť, priemer je na meter štvorcový za deň.M 6 kWh.

Solárne články využívajú fotoelektrický efekt na premenu dopadajúceho svetla na elektrickú energiu vo forme prúdu fotónov.Fotóny sú absorbované polovodičovými materiálmi, ako je dopovaný kremík, a ich energia excituje elektróny z ich molekulových alebo atómových orbitálov.Tieto elektróny potom môžu voľne rozptýliť prebytočnú energiu ako teplo a vrátiť sa na svoju obežnú dráhu, alebo sa šíriť k elektróde a stať sa súčasťou prúdu, aby kompenzovali potenciálny rozdiel, ktorý vytvára na elektróde.

Ako pri všetkých procesoch premeny energie, nie všetka energia vstupujúca do solárnych článkov sa vydáva v preferovanej forme elektrickej energie.V skutočnosti sa energetická účinnosť monokryštalických kremíkových solárnych článkov už mnoho rokov pohybuje medzi 20 % a 25 %.Príležitosť pre solárnu fotovoltaiku je však taká veľká, že výskumný tím už desaťročia pracuje na využívaní čoraz zložitejších štruktúr a materiálov na zlepšenie účinnosti konverzie buniek, ako ukazuje tento obrázok od NREL.

Dosiahnutie uvedenej vyššej energetickej účinnosti je zvyčajne na úkor použitia viacerých rôznych materiálov a zložitejších a nákladnejších výrobných techník.

Mnohé solárne fotovoltaické zariadenia sú založené na rôznych formách kryštalického kremíka alebo tenkých vrstiev kremíka, teluridu kadmia alebo medi indium-gálium selenidu s účinnosťou konverzie 20 % až 30 %.Batéria je zabudovaná v module a inštalatér môže tieto moduly použiť ako základnú jednotku na vybudovanie solárneho fotovoltaického systému na výrobu energie.

Výzva energetickej účinnosti

Fotovoltická premena premieňa kilowatty slnečnej energie dopadajúcej na každý štvorcový meter zemského povrchu na 200 až 300 W elektrickej energie.Samozrejme, je to za ideálnych podmienok.Účinnosť konverzie sa však môže znížiť z nasledujúcich dôvodov: dážď, sneh a prach usadený na povrchu batérie, vplyv starnutia polovodičových materiálov a zvýšený tieň v dôsledku zmien prostredia, ako je rast vegetácie alebo výstavbu nových budov.

Realita je teda taká, že hoci je slnečná energia bezplatná, využitie slnečnej energie na výrobu užitočnej elektrickej energie si vyžaduje starostlivú optimalizáciu každej fázy zberu, skladovania a konečnej premeny na elektrickú energiu.Jednou z najväčších príležitostí na zlepšenie energetickej účinnosti je dizajnstriedač, ktorý premieňa jednosmerný výstup solárneho poľa (alebo jeho akumulátora) na striedavý prúd na priame použitie alebo prenos cez sieť.

Menič zmení polaritu vstupného jednosmerného prúdu tak, aby bol blízko k výstupu striedavého prúdu.Čím vyššia je frekvencia spínania, tým vyššia je účinnosť konverzie.Jednoduchý prepínač môže produkovať výstup so štvorcovými vlnami, ktorý môže riadiť odporovú záťaž, ale s harmonickými poškodí zložitejšie elektronické zariadenia napájané čisto sínusovým striedavým prúdom.Preto sa dizajn meniča stal kľúčom k rovnováhe.Na jednej strane,zvýšenie spínacej frekvencie na zlepšenie energetickej účinnosti, prevádzkového napätia a výroby energie, na druhej strane,minimalizovať náklady na pomocné komponenty používané na vyhladenie štvorcovej vlny.