Solceller - Photovoltaics

Den Solar Settlement , et bæredygtigt boligbyggeri samfund projekt i Freiburg , Tyskland.
Fotovoltaisk SUDI -skygge er en autonom og mobil station i Frankrig, der leverer energi til elbiler, der bruger solenergi.
Solpaneler på den internationale rumstation

Fotovoltaik ( PV ) er omdannelse af lys til elektricitet ved hjælp af halvledende materialer, der udviser den fotovoltaiske effekt , et fænomen studeret inden for fysik , fotokemi og elektrokemi . Den fotovoltaiske effekt udnyttes kommercielt til elproduktion og som fotosensorer .

Et solcelleanlæg anvender solcellemoduler , der hver omfatter et antal solceller , som genererer elektrisk strøm. PV-installationer kan være jordmonterede, tagmonterede, vægmonterede eller flydende. Monteringen kan være fastgjort eller bruge en solar tracker til at følge solen hen over himlen.

Nogle håber, at fotovoltaisk teknologi vil producere tilstrækkelig bæredygtig energi til en overkommelig pris til at hjælpe med at afbøde den globale opvarmning forårsaget af CO
2
. Solar PV har specifikke fordele som energikilde: når den er installeret, genererer dens drift ingen forurening og ingen drivhusgasemissioner , den viser enkel skalerbarhed med hensyn til energibehov og silicium har stor tilgængelighed i jordskorpen, selvom andre materialer kræves i PV -system fremstilling som sølv vil i sidste ende begrænse yderligere vækst i teknologien. Andre store begrænsninger, der er identificeret, er konkurrence om arealanvendelse og mangel på arbejdskraft ved ansøgninger om finansiering. Brugen af ​​PV som hovedkilde kræver energilagringssystemer eller global distribution af højspændings jævnstrømsledninger , der forårsager ekstra omkostninger, og har også en række andre specifikke ulemper, såsom ustabil elproduktion og kravet til elselskaber om at kompensere for for meget solenergi i forsyningsmixet ved at have mere pålidelige konventionelle strømforsyninger for at regulere efterspidsetoppe og potentielt underudbud. Produktion og installation forårsager forurening og drivhusgasemissioner, og der er ingen levedygtige systemer til genbrug af panelerne, når de er slut ved deres levetid efter 10 til 30 år.

Fotovoltaiske systemer har længe været brugt i specialiserede applikationer som enkeltstående installationer og netforbundne solcelleanlæg har været i brug siden 1990'erne. Fotovoltaiske moduler blev første gang masseproduceret i 2000, da tyske miljøforkæmpere og Eurosolar- organisationen modtog statsstøtte til et titusinde tagprogram.

Faldende omkostninger har givet PV mulighed for at vokse som energikilde. Dette har været delvist drevet af massive kinesiske regeringsinvesteringer i udvikling af solproduktionskapacitet siden 2000 og opnå stordriftsfordele . Meget af produktionsprisen er fra nøglekomponenten polysilicium , og det meste af verdens forsyning produceres i Kina, især i Xinjiang . Udover tilskuddene er de lave priser på solpaneler i 2010’erne blevet opnået gennem den lave pris på energi fra kul og billige arbejdskraftomkostninger i Xinjiang samt forbedringer i produktionsteknologi og effektivitet. Fremskridt inden for teknologi og øget produktionsskala har også øget effektiviteten af ​​fotovoltaiske installationer. Nettomåling og økonomiske incitamenter, såsom præferentielle feed-in-takster for solgenereret elektricitet, har understøttet solcelleanlæg i mange lande. Panelpriserne faldt med en faktor 4 mellem 2004 og 2011. Modulpriserne faldt 90% fra i løbet af 2010'erne, men begyndte at stige kraftigt i 2021.

I 2019 steg verdensomspændende installeret PV -kapacitet til mere end 635 gigawatt (GW), der dækker cirka to procent af det globale elbehov . Efter vand- og vindkraft er PV den tredje vedvarende energikilde med hensyn til global kapacitet. I 2019 forventede Det Internationale Energiagentur en vækst med 700 - 880 GW fra 2019 til 2024. I nogle tilfælde har PV tilbudt den billigste elkilde i regioner med et stort solpotentiale, med et bud på en pris så lav som 0,01567 US $/ kWh i Qatar i 2020.

Etymologi

Udtrykket "fotovoltaisk" kommer fra det græske φῶς ( phōs ), der betyder "lys", og fra "volt", enheden for elektromotorisk kraft, volt , som igen kommer fra efternavnet på den italienske fysiker Alessandro Volta , opfinder af batteriet ( elektrokemisk celle ). Udtrykket "fotovoltaisk" har været i brug på engelsk siden 1849.

Historie

Solceller

Solceller genererer elektricitet direkte fra sollys .
Fotovoltaisk effektpotentiale kort
Fotovoltaisk effektpotentiale-kort estimerer, hvor mange kWh elektricitet der kan produceres fra et 1 kWp fritstående c-Si-moduler, der er optimalt skråt mod ækvator. Det resulterende langsigtede gennemsnit (dagligt eller årligt) beregnes ud fra tidsseriens vejrdata fra mindst de seneste 10 år.

Fotovoltaik er bedst kendt som en metode til at generere elektrisk strøm ved hjælp af solceller til at omdanne energi fra solen til en strøm af elektroner ved hjælp af den fotovoltaiske effekt .

Solceller producerer jævnstrøm fra sollys, som kan bruges til at drive udstyr eller til at genoplade et batteri . Den første praktiske anvendelse af fotovoltaik var at drive kredsløb om satellitter og andre rumfartøjer , men i dag bruges størstedelen af solcellemoduler til netforbundne systemer til elproduktion. I dette tilfælde kræves en inverter for at konvertere DC til AC . Der er stadig et mindre marked for enkeltstående systemer til fjerntliggende boliger, både , fritidskøretøjer , elbiler , nødtelefoner ved vejkanten, fjernmåling og katodisk beskyttelse af rørledninger .

Fotovoltaisk elproduktion anvender solcellemoduler sammensat af et antal solceller, der indeholder et halvledermateriale. Kobber solkabler forbinder moduler ( modulkabel ), arrays (array-kabel) og underfelter. På grund af den stigende efterspørgsel efter vedvarende energikilder er fremstillingen af ​​solceller og fotovoltaiske arrays gået betydeligt frem i de seneste år.

Celler kræver beskyttelse mod miljøet og er normalt pakket tæt i solcellemoduler.

Fotovoltaisk moduleffekt måles under standardtestbetingelser (STC) i "W p " ( watt peak ). Den faktiske effekt på et bestemt sted kan være mindre end eller større end denne nominelle værdi, afhængigt af geografisk placering, tidspunkt på dagen, vejrforhold og andre faktorer. Solar solcelleanlægs kapacitetsfaktorer er typisk under 25%, hvilket er lavere end mange andre industrielle energikilder.

Solcelleeffektivitet

Den elektriske effektivitet af en PV -celle er en fysisk egenskab, der repræsenterer, hvor meget elektrisk strøm en celle kan producere til en given solbestråling . Det grundlæggende udtryk for maksimal effektivitet af en fotovoltaisk celle er givet ved forholdet mellem udgangseffekt og den indfaldende solenergi (strålingsflux gange område)

Effektiviteten måles under ideelle laboratorieforhold og repræsenterer den maksimalt opnåelige effektivitet af PV -cellen eller modulet. Faktisk effektivitet påvirkes af temperatur, bestråling og spektrum.

Solcelleenergiens konverteringseffektivitet for kommercielt tilgængelige solceller er omkring 14–22%. Solcelleeffektiviteten er kun 6% for amorfe siliciumbaserede solceller. I eksperimentelle indstillinger er der opnået en effektivitet på 44,0% med eksperimentel koncentreret fotovoltaik med flere kryds . Den USA-baserede specialitet galliumarsenid (GaAs) PV-producent Alta Devices producerer kommercielle celler med 26% effektivitet, der hævder at have "verdens mest effektive solcelle" enkeltkrydsningscelle dedikeret til fleksible og lette applikationer. For silicium solceller forbliver det amerikanske selskab SunPower førende med en certificeret moduleffektivitet på 22,8%, langt over markedsgennemsnittet på 15–18%. Konkurrentvirksomheder indhenter imidlertid det sydkoreanske konglomerat LG (21,7% effektivitet) eller den norske REC Group (21,7% effektivitet).

For den bedste ydeevne har terrestriske solcelleanlæg til formål at maksimere den tid, de står over for solen. Solsporere opnår dette ved at flytte PV -moduler til at følge solen .. Statisk monterede systemer kan optimeres ved analyse af solbanen . PV -moduler er ofte indstillet til breddegradshældning, en vinkel svarende til breddegraden , men ydeevnen kan forbedres ved at justere vinklen til sommer eller vinter. Generelt, som med andre halvlederanordninger, reducerer temperaturer over stuetemperatur ydelsen af ​​fotovoltaiske moduler.

Konventionelt skal jævnstrøm (DC) genereret elektricitet fra solcelleanlæg konverteres til vekselstrøm (AC), der bruges i elnettet, med et gennemsnitligt tab på 10% under konverteringen. Et yderligere effektivitetstab sker ved overgangen tilbage til DC for batteridrevne enheder og køretøjer.

Der kræves også en stor mængde energi til fremstilling af cellerne.

Effekt af temperaturen

Ydelsen af ​​et solcellemodul afhænger af miljøforholdene, hovedsageligt af den globale hændelsesbestråling G på modulplanet. Temperaturen T på p – n-krydset påvirker imidlertid også de elektriske hovedparametre: kortslutningsstrømmen ISC, den åbne kredsløbsspænding VOC og maksimal effekt Pmax. De første undersøgelser af PV-cellers adfærd under forskellige betingelser for G og T kan dateres tilbage for flere årtier siden. svagere, så denne forøgelse ikke kompenserer for faldet i VOC. Som en konsekvens reduceres Pmax, når T stiger. Denne sammenhæng mellem en solcelles udgangseffekt og dens junction arbejdstemperatur afhænger af halvledermaterialet, 2 og det skyldes T's indflydelse på koncentrationen, levetiden og mobiliteten af ​​de iboende bærere, det vil sige elektroner og huller , inde i PV -cellen.

Temperaturfølsomheden beskrives sædvanligvis af nogle temperaturkoefficienter, der hver især udtrykker derivatet af den parameter, den refererer til i forhold til krydsetemperaturen. Værdierne for disse parametre findes i ethvert PV -modul datablad; de er følgende:

- β Variationskoefficient for VOC i forhold til T, givet af ∂VOC/∂T.

- α Variationskoefficient for ISC med hensyn til T, givet af ∂ISC/∂T.

- δ Variationskoefficient for Pmax i forhold til T, givet ved ∂Pmax/∂T.

Teknikker til estimering af disse koefficienter ud fra eksperimentelle data findes i litteraturen. Få undersøgelser analyserer variationen af ​​seriemodstanden med hensyn til celle- eller modultemperaturen. Denne afhængighed undersøges ved passende behandling af strøm -spændingskurven. Temperaturkoefficienten for seriemodstanden estimeres ved hjælp af enkeltdiodemodellen eller dobbeltdioden.

Fremstilling

Generelt er fremstillingsprocessen med at skabe solcellefotosolatik enkel, idet den ikke kræver kulminationen på mange komplekse eller bevægelige dele. På grund af PV -systemers solid state -karakter har de ofte en relativt lang levetid, alt fra 10 til 30 år. For at øge den elektriske ydelse fra et solcelleanlæg skal producenten blot tilføje flere fotovoltaiske komponenter og på grund af disse stordriftsfordele er vigtige for producenterne, da omkostningerne falder med stigende output.

Selvom der er mange typer PV -systemer, der vides at være effektive, tegnede krystallinsk PV -silicium sig for omkring 90% af den globale produktion af PV i 2013. Fremstilling af PV -systemer af silicium har flere trin. Først forarbejdes polysilicium fra udvundet kvarts, indtil det er meget rent (halvlederkvalitet). Dette smeltes, når små mængder bor , et gruppe III-element, tilsættes for at gøre en halvleder af p-typen rig på elektronhuller. Typisk ved anvendelse af en kernekrystal dyrkes en bar af denne opløsning fra den flydende polykrystallinske. Barren kan også støbes i en form. Skiver af dette halvledermateriale skæres ud af bulkmaterialet med trådsave og går derefter gennem ætsning af overfladen, før de rengøres. Derefter placeres skiverne i en fosfordampaflejringsovn, der lægger et meget tyndt lag fosfor, et gruppe V-element, som skaber en halvledende overflade af n-typen. For at reducere energitab tilføjes en antireflekterende belægning til overfladen sammen med elektriske kontakter. Efter afslutning af cellen tilsluttes cellerne via elektrisk kredsløb i henhold til den specifikke applikation og forberedes til forsendelse og installation.

Miljøomkostninger ved fremstilling

Solceller er ikke helt "ren energi", produktionen producerer drivhusgasemissioner (Green House Gas), materialer, der bruges til at bygge cellerne, er potentielt uholdbare og vil efterhånden løbe tør, teknologien bruger giftige stoffer, der forårsager forurening, og der er ingen levedygtige teknologier til genbrug af solaffald. Der kræves en stor mængde energi til produktion af panelerne, hvoraf de fleste nu produceres fra kulfyrede anlæg i Kina. Data, der kræves for at undersøge deres indvirkning, er undertiden påvirket af en temmelig stor usikkerhed. Værdierne for menneskeligt arbejde og vandforbrug, for eksempel, vurderes ikke præcist på grund af manglen på systematiske og præcise analyser i den videnskabelige litteratur. En vanskelighed ved at bestemme påvirkninger på grund af PV er at afgøre, om affaldet frigives til luft, vand eller jord under fremstillingsfasen. Livscyklusvurderinger , der ser på alle forskellige miljøpåvirkninger lige fra potentialet for global opvarmning , forurening, vandforringelse og andre, er ikke tilgængelige for PV. I stedet har undersøgelser forsøgt at estimere virkningen og potentielle virkninger af forskellige typer PV, men disse estimater er normalt begrænset til blot at vurdere energiomkostninger ved fremstilling og/eller transport , fordi det er nye teknologier og de samlede miljøpåvirkninger af deres komponenter og bortskaffelsesmetoder er ukendte, selv for kommercielt tilgængelige første generations solceller , endsige eksperimentelle prototyper uden kommerciel levedygtighed.

Således har estimater af miljøpåvirkningen af ​​PV fokuseret på kuldioxidækvivalenter pr. KWh eller energi-tilbagebetalingstid (EPBT). EPBT beskriver den tidsrum, et solcelleanlæg skal fungere for at generere den samme mængde energi, som blev brugt til dets fremstilling. En anden undersøgelse omfatter transportenergiomkostninger i EPBT. EPBT er også blevet defineret helt anderledes som "den tid, der er nødvendig til at kompensere for den samlede vedvarende og ikke-vedvarende primærenergi, der kræves i løbet af et PV-systems livscyklus" i en anden undersøgelse, som også omfattede installationsomkostninger. Denne energiafskrivning, givet i år, kaldes også break-even energi tilbagebetalingstid . Jo lavere EPBT, jo lavere miljøomkostninger ved solenergi. EPBT afhænger i høj grad af det sted, hvor solcelleanlægget er installeret (f.eks. Mængden af ​​tilgængelig sollys og effektiviteten af ​​det elektriske net) og af typen af ​​system, nemlig systemets komponenter.

En gennemgang fra 2015 af EPBT -estimater af første og anden generation af PV foreslog, at der var større variation i indlejret energi end i cellernes effektivitet, hvilket indebar, at det hovedsageligt var den indlejrede energi, der skulle reduceres for at have en større reduktion i EPBT.

Der kræves en stor mængde energi til produktion af panelerne. Generelt er den vigtigste komponent i solpaneler, der tegner sig for meget af energiforbruget og drivhusgasemissionerne, raffinering af polysilicium. Kina er kilden til størstedelen af ​​polysilicium i verden, det meste produceret i Xinjiang ved hjælp af energi produceret fra kulfyrede anlæg. Hvor meget procentdel af EPBT dette silicium afhænger af systemtypen. Et fuldt autark system kræver yderligere komponenter ('Balance of System', strømomformerne , opbevaring osv.), Som øger energiomkostningerne til fremstilling betydeligt, men i et simpelt tagsystem er cirka 90% af energiomkostningerne fra silicium, med resten fra omformerne og modulrammen.

I en analyse af Alsema et al . fra 1998 var energitilbagebetalingstiden højere end 10 år for det tidligere system i 1997, mens for et standard tagsystem blev EPBT beregnet til mellem 3,5 og 8 år.

EPBT forholder sig tæt til begreberne netto energitilvækst (NEG) og energi returneret ved investeret energi (EROI). De bruges begge inden for energiøkonomi og refererer til forskellen mellem den energi, der bruges på at høste en energikilde, og mængden af ​​energi, der opnås fra den høst. NEG og EROI tager også hensyn til et PV -systems driftstid, og der antages typisk en levetid på 25 til 30 år. Fra disse metrics kan energitilbagebetalingstiden udledes ved beregning.

EPBT forbedringer

PV systemer med krystallinsk silicium, langt de fleste af systemerne i praktisk brug, har sådan en høj EPBT fordi silicium er produceret ved reduktionen af høj kvalitet kvartssand i elektriske ovne . Denne koksfyrede smelteproces forekommer ved høje temperaturer på mere end 1000 ° C og er meget energiintensiv og bruger omkring 11 kilowattimer (kWh) pr. Produceret kilogram silicium. Energikravene til denne proces gør energiomkostningerne pr. Produceret silicium relativt uelastisk, hvilket betyder, at selve produktionsprocessen ikke bliver mere effektiv i fremtiden.

Ikke desto mindre er energitilbagebetalingstiden forkortet betydeligt i løbet af de sidste år, da krystallinske siliciumceller blev stadig mere effektive til at omdanne sollys, mens tykkelsen af ​​wafermaterialet konstant blev reduceret og derfor krævede mindre silicium til fremstillingen. Inden for de sidste ti år faldt mængden af ​​silicium, der blev brugt til solceller, fra 16 til 6 gram pr. Watt-top . I samme periode blev tykkelsen af ​​en c-Si-wafer reduceret fra 300 μm eller mikron til cirka 160-190 μm. Krystallinske siliciumskiver er i dag kun 40 procent så tykke som de plejede at være i 1990, da de var omkring 400 μm. De savning teknikker , der skive krystallinske silicium ingots ind oblater har også forbedres ved at reducere savsnittet tab og gør det lettere at genbruge silicium savsmuld.

Nøgleparametre for materiale og energieffektivitet
Parameter Mono-Si CdTe
Celleeffektivitet 16,5% 15,6%
Derate celle til modul effektivitet 8,5% 13,9%
Moduleffektivitet 15,1% 13,4%
Skivetykkelse / lagtykkelse 190 μm 4,0 μm
Kerf tab 190 μm -
Sølv pr. Celle 9,6 g/m 2 -
Glastykkelse 4,0 mm 3,5 mm
Operationel levetid 30 år 30 år
Kilde: IEA-PVPS , Life Cycle Assessment, marts 2015

Virkninger fra første generations PV

Krystallinske siliciummoduler er den mest omfattende PV -type med hensyn til LCA, da de er de mest almindeligt anvendte. Monokrystallinske siliciumfotovoltaiske systemer (mono-si) har en gennemsnitlig effektivitet på 14,0%. Cellerne har en tendens til at følge en struktur af frontelektrode, anti-refleksionsfilm, n-lag, p-lag og bagelektrode, hvor solen rammer den forreste elektrode. EPBT spænder fra 1,7 til 2,7 år. Vuggen til porten på CO 2 -ekv/kWh varierer fra 37,3 til 72,2 gram.

Teknikker til fremstilling af multikrystallinske silicium (multi-si) fotovoltaiske celler er enklere og billigere end mono-si, men har en tendens til at lave mindre effektive celler, i gennemsnit 13,2%. EPBT spænder fra 1,5 til 2,6 år. Vuggen til porten på CO 2 -ekv/kWh varierer fra 28,5 til 69 gram.

Forudsat at følgende lande havde en netinfrastruktur af høj kvalitet som i Europa, blev det i 2020 beregnet, at det ville tage 1,28 år i Ottawa , Canada for et solcelleanlæg på taget at producere den samme mængde energi, som kræves for at fremstille silicium i modulerne i den (undtagen sølv, glas, beslag og andre komponenter), 0,97 år i Catania , Italien og 0,4 år i Jaipur , Indien . Uden for Europa, hvor nettoeffektiviteten er lavere, ville det tage længere tid. Denne ' tilbagebetalingstid for energi ' kan ses som den del af tiden i modulets brugbare levetid, hvor energiproduktionen forurener. I bedste fald betyder det, at et 30-årigt panel har produceret ren energi i 97% af sin levetid, eller at silicium i modulerne i et solpanel producerer 97% mindre drivhusgasemissioner end et kulfyret anlæg for samme mængde energi (antager og ignorerer mange ting). Nogle undersøgelser har set ud over EPBT og GWP til andre miljøpåvirkninger. I en sådan undersøgelse blev konventionel energimiks i Grækenland sammenlignet med multi-si PV og fandt en samlet reduktion på 95% i påvirkninger, herunder kræftfremkaldende stoffer, økotoksicitet, forsuring, eutrofiering og elleve andre.

Virkninger fra anden generation

Cadmiumtellurid (CdTe) er en af ​​de hurtigst voksende tyndfilmbaserede solceller, der samlet kaldes anden generation af enheder. Denne nye tynde film-enhed deler også lignende ydelsesbegrænsninger ( Shockley-Queisser effektivitetsgrænse ) som konventionelle Si-enheder, men lover at sænke omkostningerne ved hver enhed ved både at reducere materiale og energiforbrug under fremstilling. Den globale markedsandel for CdTe var 4,7% i 2008. Denne teknologis højeste effektkonverteringseffektivitet er 21%. Cellestrukturen omfatter glassubstrat (ca. 2 mm), gennemsigtigt lederlag, CdS -bufferlag (50–150 nm), CdTe -absorber og et metalkontaktlag.

CdTe PV -systemer kræver mindre energiindgang i deres produktion end andre kommercielle solcelleanlæg pr. Elproduktion. Den gennemsnitlige CO 2 -ekv/kWh er omkring 18 gram (vugge til port). CdTe har den hurtigste EPBT af alle kommercielle PV -teknologier, som varierer mellem 0,3 og 1,2 år.

Eksperimentelle teknologier

Krystallinsk fotovoltaik af silicium er kun én type solceller, og selvom de repræsenterer størstedelen af ​​de solceller, der produceres i øjeblikket, er der mange nye og lovende teknologier, der har potentiale til at blive skaleret op for at imødekomme fremtidens energibehov. Fra 2018 fungerer krystallinsk siliciumcelleteknologi som grundlag for flere PV -modultyper, herunder monokrystallinsk, multikrystallinsk, mono PERC og bifacial.

En anden nyere teknologi, tyndfilm PV, fremstilles ved at deponere halvledende lag af perovskit , et mineral med halvlederegenskaber, på et substrat i vakuum. Substratet er ofte glas eller rustfrit stål, og disse halvledende lag er lavet af mange typer materialer, herunder cadmiumtellurid (CdTe), kobberindiumdiselenid (CIS), kobberindiumgalliumdiselenid (CIGS) og amorft silicium (a-Si ). Efter at have været aflejret på substratet adskilles de halvledende lag og forbindes med et elektrisk kredsløb ved laserskriver. Perovskite solceller er en meget effektiv solenergiomformer og har fremragende optoelektroniske egenskaber til fotovoltaiske formål, men deres opskalering fra celler i lab til store moduler er stadig under undersøgelse. Tyndfilm fotovoltaiske materialer kan muligvis blive attraktive i fremtiden på grund af de reducerede materialekrav og omkostninger ved fremstilling af moduler bestående af tyndfilm sammenlignet med siliciumbaserede wafers. I 2019 rapporterede universitetslaboratorier i Oxford, Stanford og andre steder perovskite solceller med en effektivitet på 20-25%.

Andre mulige fremtidige PV-teknologier omfatter organisk, farvesensitiviseret og quantum-dot fotovoltaik. Organisk fotovoltaik (OPV'er) falder ind under tyndfilmkategorien for fremstilling og opererer typisk omkring 12% effektivitetsområdet, som er lavere end de 12-21%, der typisk ses af siliciumbaserede solceller. Fordi organiske solceller kræver meget høj renhed og er relativt reaktive, skal de indkapsles, hvilket øger produktionsomkostningerne betydeligt og betyder, at de ikke er mulige i stor skala. Farvesensibiliserede PV'er ligner i effektivitet OPV'er, men er betydeligt lettere at fremstille. Disse farvestofsensibiliserede solceller giver imidlertid opbevaringsproblemer, fordi den flydende elektrolyt er giftig og potentielt kan gennemsyre plasten, der bruges i cellen. Quantum dot -solceller er behandlingsopløsninger, hvilket betyder, at de potentielt er skalerbare, men i øjeblikket når de en effektivitet på 12%.

Kobberindiumgalliumselenid (CIGS) er en tyndfilmssolcelle baseret på kobberindiumdiselenid (CIS) -familien af ​​chalcopyrit -halvledere . CIS og CIGS bruges ofte i flæng inden for CIS/CIGS -fællesskabet. Cellestrukturen omfatter sodakalkglas som substrat, Mo -lag som bagkontakt, CIS/CIGS som absorberlag, cadmiumsulfid (CdS) eller Zn (S, OH) x som bufferlag og ZnO: Al som frontkontakt. CIGS er cirka 1/100th tykkelsen af ​​konventionelle silicium solcelleteknologier. Materialer, der er nødvendige til montering, er let tilgængelige og billigere pr. Watt solcelle. CIGS -baserede solcelleanordninger modstår ydelsesforringelse over tid og er yderst stabile i marken.

Rapporterede potentielle virkninger af global opvarmning af CIGS spænder fra 20,5 -58,8 gram CO 2 -ækv/kWh elektricitet, der genereres til forskellig solbestråling (1.700 til 2.200 kWh/m 2 /y) og effektomdannelseseffektivitet (7,8 -9,12%). EPBT spænder fra 0,2 til 1,4 år, mens harmoniseret værdi af EPBT blev fundet 1,393 år. Toksicitet er et problem i bufferlaget i CIGS -moduler, fordi det indeholder cadmium og gallium. CIS -moduler indeholder ikke tungmetaller.

Tredje generations PV'er er designet til at kombinere fordelene ved både første og anden generations enheder, og de har ikke Shockley-Queisser-grænse , en teoretisk grænse for første og anden generations PV-celler. Tykkelsen af ​​en tredje generations enhed er mindre end 1 μm.

En fremvoksende alternativ og lovende teknologi er baseret på en organisk-uorganisk hybrid solcelle fremstillet af methylammonium-blyhalogenidperovskitter. Perovskite PV -celler har udviklet sig hurtigt i løbet af de sidste par år og er blevet et af de mest attraktive områder for PV -forskning. Cellestrukturen omfatter en metalbagkontakt (som kan være fremstillet af Al, Au eller Ag), et huloverføringslag (spiro-MeOTAD, P3HT, PTAA, CuSCN, CuI eller NiO) og absorberlag (CH 3 NH 3 PbIxBr 3 -x, CH 3 NH 3 PbIxCl 3 -x eller CH 3 NH 3 PbI 3 ), et elektrontransportlag (TiO, ZnO, Al 2 O 3 eller SnO 2 ) og et topkontaktlag (fluordopet tinoxid eller tin -dopet indiumoxid).

Der er et begrænset antal offentliggjorte undersøgelser for at håndtere miljøpåvirkningen af ​​perovskite solceller. Det største miljøproblem er det bly, der bruges i absorberlaget. På grund af ustabiliteten af ​​perovskitceller kan bly i sidste ende blive udsat for ferskvand under brugsfasen. Disse LCA -undersøgelser undersøgte menneskelig og økotoksicitet af perovskite solceller og fandt, at de var overraskende lave og måske ikke er et miljøproblem. Global opvarmningspotentiale for perovskit -PV'er viste sig at være i området 24-1500 gram CO 2 -ekv./KWh elproduktion. Tilsvarende ligger den rapporterede EPBT for det publicerede papir fra 0,2 til 15 år. Det store udvalg af rapporterede værdier fremhæver usikkerheden forbundet med disse undersøgelser. Celik et al. (2016) diskuterede kritisk de antagelser, der blev gjort i perovskite PV LCA -undersøgelser.

To nye lovende tyndfilmteknologier er kobberzink- tinsulfid (Cu 2 ZnSnS 4 eller CZTS), zinkphosphid (Zn 3 P 2 ) og enkeltvæggede carbon-nanorør (SWCNT). Disse tynde film produceres i øjeblikket kun i laboratoriet, men kan blive kommercialiseret i fremtiden. Fremstillingen af ​​CZTS- og (Zn 3 P 2 ) -processer forventes at ligne dem, der anvendes i henholdsvis nuværende tyndfilmteknologier for henholdsvis CIGS og CdTe. Mens absorberlaget af SWCNT PV forventes at blive syntetiseret med CoMoCAT -metode. af I modsætning til etablerede tynde film, såsom CIGS og CdTe, er CZTS, Zn 3 P 2 og SWCNT PV'er fremstillet af rigelige, ikke -giftige materialer på jorden og har potentiale til at producere mere elektricitet årligt end det nuværende globale forbrug. Mens CZTS og Zn 3 P 2 giver et godt løfte af disse grunde, er de specifikke miljømæssige konsekvenser af deres kommercielle produktion endnu ikke kendt. Global opvarmningspotentiale for CZTS og Zn 3 P 2 blev fundet 38 og 30 gram CO 2 -ækv/kWh, mens deres tilsvarende EPBT blev fundet henholdsvis 1,85 og 0,78 år. Samlet set har CdTe og Zn 3 P 2 lignende miljøpåvirkninger, men kan lidt bedre end CIGS og CZTS. En undersøgelse af miljøpåvirkninger af SWCNT PV'er af Celik et al., Herunder en eksisterende 1% effektiv enhed og en teoretisk 28% effektiv enhed, fandt, at miljøpåvirkningen fra 1% SWCNT var ∼18 gange højere pga. Monokrystallinsk Si hovedsageligt til den korte levetid på tre år.

Organisk og polymer fotovoltaisk (OPV) er et relativt nyt forskningsområde. Traditionelle OPV-cellestrukturlag består af en halvgennemsigtig elektrode, elektronblokerende lag, tunnelforbindelse, huller, der blokerer lag, elektrode, hvor solen rammer den transparente elektrode. OPV erstatter sølv med kulstof som et elektrodemateriale, der sænker fremstillingsomkostningerne og gør dem mere miljøvenlige. OPV er fleksible, lavvægtige og fungerer godt med roll-to-roll-fremstilling til masseproduktion. OPV bruger "kun rigelige elementer koblet til en ekstremt lav legemliggjort energi gennem meget lave behandlingstemperaturer ved kun at anvende omgivende behandlingsbetingelser på simpelt trykudstyr, der muliggør tilbagebetalingstid for energi". Nuværende effektiviteter spænder fra 1-6,5%, men teoretiske analyser viser løfte ud over 10% effektivitet.

Mange forskellige konfigurationer af OPV findes ved hjælp af forskellige materialer til hvert lag. OPV -teknologi konkurrerer med eksisterende PV -teknologier med hensyn til EPBT, selvom de i øjeblikket har en kortere levetid. En undersøgelse fra 2013 analyserede 12 forskellige konfigurationer alle med 2% effektivitet, EPBT varierede fra 0,29 til 0,52 år for 1 m 2 PV. Den gennemsnitlige CO 2 -ekv/kWh for OPV er 54,922 gram.

Hvor jord kan være begrænset, kan PV indsættes som flydende solceller . I 2008 var Far Niente Winery banebrydende for verdens første "floatovoltaiske" system ved at installere 994 fotovoltaiske solpaneler på 130 pontoner og flyde dem på vingårdens kunstvandingsdam. En fordel ved opsætningen er, at panelerne holdes ved en lavere temperatur, end de ville være på land, hvilket fører til en højere effektivitet ved konvertering af solenergi. De flydende paneler reducerer også mængden af ​​vand, der går tabt ved fordampning og hæmmer væksten af ​​alger.

Concentrator photovoltaics er en teknologi, der i modsætning til konventionelle fladplade PV-systemer bruger linser og buede spejle til at fokusere sollys på små, men yderst effektive, multikrydsende solceller. Disse systemer bruger undertiden solsporere og et kølesystem til at øge deres effektivitet.

Økonomi

Kilde: Apricus

Der har været store ændringer i de underliggende omkostninger, branchestruktur og markedspriser for solcelleelektrologi i årenes løb, og det er en udfordring at få et sammenhængende billede af de ændringer, der sker på tværs af branchens værdikæde globalt. Dette skyldes: "hurtigheden af ​​omkostnings- og prisændringer, kompleksiteten i PV -forsyningskæden, som involverer et stort antal fremstillingsprocesser, systembalancen (BOS) og installationsomkostninger forbundet med komplette PV -systemer, valget af forskellige distributionskanaler og forskelle mellem de regionale markeder, inden for hvilke solcelleanlæg implementeres ". Yderligere kompleksitet skyldes de mange forskellige politiske støtteinitiativer, der er blevet iværksat for at lette kommercialisering af fotovoltaik i forskellige lande.

Vedvarende energiteknologier er generelt blevet billigere siden deres opfindelse. Vedvarende energisystemer er blevet billigere at bygge end fossile kraftværker i store dele af verden takket være fremskridt inden for især vind- og solenergiteknologi.

Hardwareomkostninger

Pris pr.Watt- historie for konventionelle ( c-Si ) solceller siden 1977.

I 1977 var priserne på krystallinske siliciumsolceller $ 76,67/W.

Selvom engrosmodulpriserne forblev flade på omkring $ 3,50 til $ 4,00/W i begyndelsen af ​​2000'erne på grund af stor efterspørgsel i Tyskland og Spanien, der blev leveret af generøse subsidier og mangel på polysilicium, styrtede efterspørgslen med den bratte afslutning af spanske subsidier efter markedskrasket i 2008, og prisen faldt hurtigt til $ 2,00/W. Producenterne var i stand til at opretholde en positiv driftsmargin på trods af et fald i indkomsten på 50% på grund af innovation og reducerede omkostninger. I slutningen af ​​2011 faldt fabrikspriserne på solcellemoduler af krystallinsk silicium pludselig under $ 1,00/W-mærket, hvilket overraskede mange i branchen og har fået en række solproduktionsvirksomheder til at gå konkurs over hele verden. Prisen på $ 1,00/W betragtes ofte i PV -branchen som markering af opnåelsen af netparitet for PV, men de fleste eksperter mener ikke, at dette prispunkt er bæredygtigt. Teknologiske fremskridt, fremstillingsprocesforbedringer og omstrukturering af industrien kan betyde, at yderligere prisreduktioner er mulige. Den gennemsnitlige udsalgspris for solceller, som overvåges af Solarbuzz -gruppen, faldt fra $ 3,50/watt til $ 2,43/watt i løbet af 2011. I 2013 var engrospriserne faldet til $ 0,74/W. Dette er blevet citeret som bevis til støtte for ' Swansons lov ', en observation, der ligner den berømte Moores lov , der hævder, at priserne på solceller falder 20% for hver fordobling af branchens kapacitet. Fraunhofer Institute definerer 'læringshastigheden' som prisfaldet, da den kumulative produktion fordobles, cirka 25% mellem 1980 og 2010. Selvom priserne på moduler er faldet hurtigt, er de nuværende inverterpriser faldet med en meget lavere hastighed, og i 2019 udgør over 61% af omkostningerne pr. KWp, fra en fjerdedel i begyndelsen af ​​2000'erne.

Bemærk, at de ovennævnte priser er for bare moduler, en anden måde at se på modulpriser er at inkludere installationsomkostninger. I USA, ifølge Solar Energy Industries Association, faldt prisen på installerede tag -PV -moduler til husejere fra $ 9,00/W i 2006 til $ 5,46/W i 2011. Inklusive de priser, der betales af industrielle installationer, falder den nationale installerede pris til $ 3,45 /W. Dette er markant højere end andre steder i verden, i Tyskland ligger husejerens taginstallationer i gennemsnit på $ 2,24/W. Omkostningsforskellene menes primært at være baseret på den højere lovgivningsmæssige byrde og manglen på en national solpolitik i USA.

Ved udgangen af ​​2012 havde kinesiske producenter produktionsomkostninger på $ 0,50/W i de billigste moduler. På nogle markeder kan distributører af disse moduler tjene en betydelig margen ved at købe til fabrikspris og sælge til den højeste pris, markedet kan understøtte ('værdibaseret prissætning').

I Californien nåede PV netparitet i 2011, hvilket normalt defineres som PV-produktionsomkostninger til eller under detailpriserne i el (dog ofte stadig over kraftværkspriserne for kul- eller gasfyret produktion uden distribution og andre omkostninger). Gitterparitet var nået på 19 markeder i 2014.

Niveauiserede elomkostninger

Den levelised Prisen på elektricitet (LCOE) er den pris pr kWh baseret på de omkostninger, fordelt over projektets levetid, og menes at være en bedre parameter for beregning af levedygtighed end prisen per watt. LCOE'er varierer dramatisk afhængigt af placeringen. LCOE kan betragtes som den mindste pris, kunderne skal betale forsyningsselskabet, for at det kan bryde jævnt på investeringen i et nyt kraftværk. Gitterparitet opnås groft, når LCOE falder til en lignende pris som konventionelle lokale netpriser, selv om beregningerne i virkeligheden ikke er direkte sammenlignelige. Store industrielle solcelleanlæg havde nået netparitet i Californien i 2011. Gitterparitet for tagsystemer menes stadig at være meget længere væk på dette tidspunkt. Mange LCOE -beregninger menes ikke at være nøjagtige, og der kræves en stor mængde antagelser. Modulpriserne kan falde yderligere, og LCOE for solenergi kan falde tilsvarende i fremtiden.

Fordi energibehovet stiger og falder i løbet af dagen, og solenergi er begrænset af det faktum, at solen går ned, skal solenergiselskaber også medregne meromkostningerne ved at levere en mere stabil alternativ energiforsyning til nettet for at stabilisere systemet eller lagre energien på en eller anden måde (nuværende batteriteknologi kan ikke lagre nok strøm). Disse omkostninger indregnes ikke i LCOE -beregninger, og der er heller ikke særlige tilskud eller præmier, der kan gøre køb af solenergi mere attraktivt. Upålideligheden og den tidsmæssige variation i produktion af sol- og vindkraft er et stort problem. For meget af disse flygtige strømkilder kan forårsage ustabilitet i hele nettet.

Fra 2017 var strømkøbsaftalepriser for solcelleanlæg under $ 0,05/kWh almindelige i USA, og de laveste bud i nogle lande i Den Persiske Golf var omkring $ 0,03/kWh. Målet for det amerikanske energiministerium er at opnå en udlignet energiomkostning til solceller på $ 0,03/kWh for forsyningsselskaber.

Tilskud og finansiering

Økonomiske incitamenter til fotovoltaik , såsom feed-in tariffer (FIT), tilbydes ofte elforbrugerne til at installere og drive solenergi-generatorer, og i nogle lande er sådanne tilskud den eneste måde, fotovoltaik kan forblive økonomisk rentabel. I Tyskland ligger FIT -tilskud generelt omkring 0,13 € over den normale detailpris på en kWh (€ 0,05). PV FIT'er har været afgørende for vedtagelsen af ​​industrien og er tilgængelige for forbrugere i over 50 lande fra 2011. Tyskland og Spanien har været de vigtigste lande med hensyn til at tilbyde tilskud til PV, og disse landes politikker har drevet efterspørgslen i fortiden. Nogle amerikanske solcellefremstillingsvirksomheder har gentagne gange klaget over, at prisfaldet på PV -modulomkostninger er opnået på grund af tilskud fra Kinas regering og dumping af disse produkter under fair markedspriser. Amerikanske producenter anbefaler generelt høje toldsatser på udenlandske forsyninger, så de kan forblive rentable. Som svar på disse bekymringer begyndte Obama -administrationen at opkræve told på amerikanske forbrugere af disse produkter i 2012 for at hæve priserne for indenlandske producenter. Under Trump -administrationen indførte den amerikanske regering yderligere told på amerikanske forbrugere for at begrænse handelen med solcellemoduler. USA subsidierer imidlertid også industrien og tilbyder forbrugere en føderal skattefradrag på 30% til køb af moduler. På Hawaii afskærer føderale og statslige tilskud op til to tredjedele af installationsomkostningerne.

Nogle miljøforkæmpere har fremmet ideen om, at offentlige incitamenter skal bruges for at udvide PV-fremstillingsindustrien til at reducere omkostningerne ved PV-genereret elektricitet meget hurtigere til et niveau, hvor det er i stand til at konkurrere med fossile brændstoffer på et frit marked. Dette er baseret på teorien om, at når produktionskapaciteten fordobles, vil stordriftsfordele få priserne på solprodukterne til at halvere.

I mange lande mangler der adgang til kapital til at udvikle solcelleprojekter. For at løse dette problem er securitisation blevet foreslået for at fremskynde udviklingen af ​​solcelleprojekter. Eksempelvis tilbød SolarCity den første amerikanske aktivsikrede sikkerhed i solindustrien i 2013.

Andet

Fotovoltaisk strøm genereres også i løbet af et tidspunkt på dagen, der er tæt på spidsbelastningen (går forud for det) i elsystemer med høj brug af aircondition. Da PV-drift i stor skala kræver backup i form af spinningreserver, er dens marginale omkostninger ved produktionen midt på dagen typisk lavest, men ikke nul, når PV genererer elektricitet. Dette kan ses i figur 1 i dette papir :. For boligejendomme med private solcelleanlæg, der er forbundet til nettet, kan ejeren muligvis tjene ekstra penge, når produktionstiden er inkluderet, da elektricitet er mere værd i løbet af dagen end om natten.

En journalist teoretiserede i 2012, at hvis amerikanernes energiregninger blev tvunget opad ved at pålægge en ekstra afgift på $ 50/ton på kuldioxidemissioner fra kulfyret strøm, kunne dette have givet solceller mere omkostningskonkurrencedygtige for forbrugerne i de fleste placeringer.

Vækst

Verdensomspændende vækst i solceller på en halvtømmergrund siden 1992

Solfotovoltaik udgjorde det største forskningsorgan blandt de syv bæredygtige energityper, der blev undersøgt i en global bibliometrisk undersøgelse, hvor det årlige videnskabelige output voksede fra 9.094 publikationer i 2011 til 14.447 publikationer i 2019.

På samme måde vokser anvendelsen af ​​solfotovoltaik hurtigt og verdensomspændende installerede kapacitet nåede omkring 515 gigawatt (GW) i 2018. Den samlede effekt af verdens solcellekapacitet i et kalenderår er nu over 500 TWh el. Dette repræsenterer 2% af verdensomspændende elbehov. Mere end 100 lande bruger solceller. Kina efterfølges af USA og Japan , mens installationerne i Tyskland , der engang var verdens største producent, har været langsommere.

Honduras genererede den højeste procentdel af sin energi fra solenergi i 2019, 14,8%. Fra 2019 har Vietnam den højeste installerede kapacitet i Sydøstasien, cirka 4,5 GW. Den årlige installationshastighed på cirka 90 W pr. Indbygger om året placerer Vietnam blandt verdens ledere. Generøs Feed-in tarif (FIT) og regering, der støtter politikker som f.eks. Skattefritagelser, var nøglen til at muliggøre Vietnams solcelleanlæg. Underliggende drivere omfatter regeringens ønske om at øge selvforsyning med energi og offentlighedens krav om lokal miljøkvalitet.

En vigtig barriere er begrænset transmissionsnetkapacitet.

Kina har verdens største solenergikapacitet med 253 GW installeret kapacitet i slutningen af ​​2020 sammenlignet med omkring 151 GW i EU, ifølge International Energy Agency-data. ( https://www.reuters.com/business/energy/china-add-55-65-gw-solar-power-capacity-2021-industry-body-2021-07-22/ )

Top 10 PV -lande i 2019 (MW)
Installeret og samlet solstrømskapacitet i 2019 (MW)
# Nation Samlet kapacitet Tilføjet kapacitet
1 Kina Kina 204.700 30.100
2 Forenede Stater Forenede Stater 75.900 13.300
3 Japan Japan 63.000 7.000
4 Tyskland Tyskland 49.200 3.900
5 Indien Indien 42.800 9.900
6 Italien Italien 20.800 600
7 Australien Australien 15.928 3.700
8 Det Forenede Kongerige Det Forenede Kongerige 13.300 233
9 Sydkorea Sydkorea 11.200 3.100
10 Frankrig Frankrig 9.900 900

Data: IEA-PVPS Snapshot af Global PV Markets 2020- rapport, april 2020 Se
også solenergi efter land for en komplet og løbende opdateret liste

I 2017 blev det antaget sandsynligt, at globale PV -installerede kapaciteter i 2030 kunne være mellem 3.000 og 10.000 GW. Greenpeace i 2010 hævdede, at 1.845 GW PV -systemer på verdensplan kunne producere cirka 2.646 TWh/år el inden år 2030, og i 2050 kunne over 20% af al elektricitet leveres af PV.

Ansøgninger

Fotovoltaiske systemer

Et solcelleanlæg eller solcelleanlæg er et kraftsystem designet til at levere brugbar solenergi ved hjælp af solceller. Det består af et arrangement af flere komponenter, herunder solpaneler til at absorbere og direkte konvertere sollys til elektricitet, en solomformer til at ændre den elektriske strøm fra DC til AC, samt montering, kabler og andet elektrisk tilbehør. PV-systemer spænder fra små, tagmonterede eller bygningsintegrerede systemer med kapacitet fra få til flere titalls kilowatt , til store kraftværker på hundredvis af megawatt . I dag er de fleste solcelleanlæg netforbundet , mens enkeltstående systemer kun tegner sig for en lille del af markedet.

  • Tag og opbygning af integrerede systemer
PV på taget på bindingsværkshus
Fotovoltaiske arrays er ofte forbundet med bygninger: enten integreret i dem, monteret på dem eller monteret i nærheden på jorden. Rooftop PV -systemer eftermonteres oftest i eksisterende bygninger, normalt monteret oven på den eksisterende tagkonstruktion eller på de eksisterende vægge. Alternativt kan et array placeres adskilt fra bygningen, men tilsluttes med kabel for at levere strøm til bygningen. Bygningsintegreret fotovoltaik (BIPV) integreres i stigende grad i taget eller vægge i nye hus- og industribygninger som hoved- eller hjælpekilde til elektrisk strøm. Tagsten med integrerede PV -celler bruges undertiden også. Forudsat at der er et åbent hul, hvor luft kan cirkulere, kan solcellepaneler på tagterrassen give en passiv køleeffekt på bygninger i løbet af dagen og også holde akkumuleret varme inde om natten. Typisk har rooftop -systemer i boliger små kapaciteter på omkring 5-10 kW, mens kommercielle tagsystemer ofte udgør flere hundrede kilowatt. Selvom tagsystemer er meget mindre end kraftmonterede kraftværker på jorden, tegner de sig for det meste af den installerede verdensomspændende kapacitet.
  • Fotovoltaisk termisk hybrid solfanger
Fotovoltaisk termisk hybrid solfanger (PVT) er systemer, der konverterer solstråling til termisk og elektrisk energi. Disse systemer kombinerer en solcelle -PV -celle, som konverterer sollys til elektricitet, med en termisk solfanger , der fanger den resterende energi og fjerner spildvarme fra PV -modulet. Indfangningen af ​​både elektricitet og varme gør det muligt for disse enheder at have højere eksergi og dermed være mere generelle energieffektive end solceller eller solvarmeanlæg alene.
  • Elværk
Satellitbillede af Topaz Solar Farm
Mange solcelleanlæg i brugskala er blevet bygget overalt i verden. I 2011 blev 579 megawatt (MW AC ) Solar Star- projektet foreslået, der efterfølges af Desert Sunlight Solar Farm og Topaz Solar Farm i fremtiden, begge med en kapacitet på 550 MW AC , der skal opføres af amerikansk virksomhed First Solar ved hjælp af CdTe-moduler , en tyndfilm PV-teknologi. Alle tre kraftværker vil være placeret i den californiske ørken. Da Solar Star -projektet blev afsluttet i 2015, var det dengang verdens største solcelleanlæg .
  • Agrivoltaik
Der er blevet etableret en række eksperimentelle solcellefarme rundt om i verden, der forsøger at integrere solenergiproduktion med landbruget . En italiensk producent har fremmet et design, der sporer solens daglige vej over himlen for at generere mere elektricitet end konventionelle fastmonterede systemer.
  • Landlig elektrificering
Udviklingslande, hvor mange landsbyer ofte er mere end fem kilometer væk fra netstrøm, bruger i stigende grad fotovoltaik. På fjerntliggende steder i Indien har et landligt belysningsprogram leveret solcelledrevet LED -belysning til udskiftning af petroleumslamper. De soldrevne lamper blev solgt til omtrent prisen på et par måneders levering af petroleum. Cuba arbejder på at levere solenergi til områder, der er uden for nettet. Mere komplekse anvendelser af off-grid solenergibrug omfatter 3D-printere . RepRap 3D -printere har været soldrevet med fotovoltaisk teknologi, som muliggør distribueret fremstilling til bæredygtig udvikling . Det er områder, hvor de sociale omkostninger og fordele er et glimrende tilfælde for solceller, selvom manglen på rentabilitet har henvist sådanne bestræbelser til humanitær indsats. Imidlertid havde man i 1995 fundet, at landdistrikterne elektrificeringsprojekter var vanskelige at opretholde på grund af ugunstig økonomi, mangel på teknisk support og en arv fra bagtanker til nord-til-syd teknologioverførsel.
  • Fristående systemer
Indtil for et årti siden, blev PV ofte brugt til at drive regnemaskiner og nyheder. Forbedringer i integrerede kredsløb og laveffekt -flydende krystaldisplays gør det muligt at drive sådanne enheder i flere år mellem batteriskift, hvilket gør PV -brug mindre almindelig. I modsætning hertil har solcelledrevne fjernbetjente faste enheder oplevet stigende brug for nylig på steder, hvor betydelige forbindelsesomkostninger gør netstrøm uoverkommeligt dyrt. Sådanne applikationer omfatter sollamper , vandpumper, parkeringsmålere , nødtelefoner , affaldskomprimatorer , midlertidige trafikskilte, ladestationer og fjerntliggende vagtposter og signaler.
  • I transport
PV er traditionelt blevet brugt til elektrisk strøm i rummet. PV bruges sjældent til at levere drivkraft i transportapplikationer, men det kan levere hjælpekraft i både og biler. Nogle biler er udstyret med soldrevet klimaanlæg. Et selvstændigt solkøretøj ville have begrænset strøm og nytteværdi, men et solopladet elektrisk køretøj tillader brug af solenergi til transport. Soldrevne biler, både og flyvemaskiner er blevet demonstreret, hvor de mest praktiske og sandsynlige er solbiler . Det schweiziske solfly , Solar Impulse 2 , opnåede historiens længste non-stop soloflyvning og gennemførte den første soldrevne luftomsejling i verden i 2016.
  • Telekommunikation og signalering
Solar PV -strøm er ideel til telekommunikationsapplikationer såsom lokal telefoncentral, radio- og tv -udsendelse, mikrobølgeovn og andre former for elektroniske kommunikationsforbindelser. Dette skyldes, at der i de fleste telekommunikationsapplikationer allerede er i brug batterier, og det elektriske system er grundlæggende jævnstrøm. I kuperet og bjergrigt terræn når radio- og tv -signaler muligvis ikke, da de blokeres eller reflekteres tilbage på grund af kuperet terræn. På disse steder er lavspændingssendere (LPT) installeret til at modtage og videresende signalet til lokalbefolkningen.
  • Rumfartøjsprogrammer
En del af Junos solsystem
Solpaneler på rumfartøjer er normalt den eneste strømkilde til at køre sensorer, aktiv opvarmning og køling og kommunikation. Et batteri lagrer denne energi til brug, når solpanelerne er i skygge. I nogle bruges strømmen også til rumfartøjets fremdrift - elektrisk fremdrift . Rumfartøjer var en af ​​de tidligste anvendelser af fotovoltaik, begyndende med siliciumsolcellerne, der blev brugt på Vanguard 1 -satellitten, lanceret af USA i 1958. Siden da er solenergi blevet brugt på missioner, der spænder fra MESSENGER -sonden til Merkur, til som langt ude i solsystemet som Juno -sonden til Jupiter. Det største solenergisystem, der flyver i rummet, er det elektriske system på den internationale rumstation . For at øge den producerede effekt pr. Kilo bruger typiske rumfartøjs solpaneler høje omkostninger, højeffektive og tætpakkede rektangulære multi-junction solceller fremstillet af galliumarsenid (GaA'er) og andre halvledermaterialer.
  • Specialty Power Systems
Fotovoltaik kan også inkorporeres som energiomdannelsesindretninger til genstande ved forhøjede temperaturer og med foretrukne strålingsemissioner, såsom heterogene brændere .
  • Indendørs fotovoltaik (IPV)
Indendørs fotovoltaik har potentiale til at levere strøm til tingenes internet , såsom smarte sensorer og kommunikationsenheder, hvilket giver en løsning på batteriets begrænsninger såsom strømforbrug, toksicitet og vedligeholdelse. Omgivende indendørs belysning, såsom lysdioder og lysstofrør , udsender nok stråling til at drive små elektroniske enheder eller enheder med lavt strømforbrug. I disse applikationer vil indendørs fotovoltaik kunne forbedre pålideligheden og øge levetiden for trådløse netværk , især vigtigt med det betydelige antal trådløse sensorer, der vil blive installeret i de kommende år.
På grund af den manglende adgang til solstråling er intensiteten af energi høstet af indendørs solceller normalt tre størrelsesordener mindre end sollys, hvilket vil påvirke effektiviteten af ​​de fotovoltaiske celler. Det optimale båndgab til indendørs lyshøst er omkring 1,9-2 eV, sammenlignet med det optimale på 1,4 eV til udendørs lyshøst. Stigningen i det optimale båndgab resulterer også i en større åben kredsløbsspænding (VOC) , hvilket også påvirker effektiviteten. Siliciumfotovoltaik , den mest almindelige type fotovoltaiske celler på markedet, kan kun nå en effektivitet på omkring 8% ved høst af indendørs lys i forhold til dets 26% effektivitet i sollys. Et muligt alternativ er at bruge amorft silicium, a-Si , da det har et bredere båndgab på 1,6 eV sammenlignet med dets krystallinske modstykke, hvilket får det til at være mere egnet til at fange indendørs lysspektre.
Andre lovende materialer og teknologier til indendørs solceller omfatter tyndfilmsmaterialer , III-V lysoptagere, organiske fotovoltaika (OPV) og perovskite solceller .
  • Tyndfilmsmaterialer, specifikt CdTe , har vist god ydeevne under svagt lys og diffuse forhold med et båndgab på 1,5 eV.
  • Nogle enkeltkrydsnings-III-V-celler har båndgab i området 1,8 til 1,9 eV, som har vist sig at opretholde gode præstationer under indendørs belysning, med en effektivitet på over 20%.
  • Der har været forskellige organiske solceller, der har vist effektiviteter på over 16% fra indendørs belysning, på trods af at de har en lav effektivitet i energihøstning under sollys. Dette skyldes det faktum, at OPV'er har en stor absorptionskoefficient, justerbare absorptionsintervaller samt små lækstrømme i svagt lys, så de kan konvertere indendørs belysning mere effektivt i forhold til uorganiske PV'er.
  • Perovskite solceller er blevet testet for at vise effektivitet over 25% i svagt lys. Mens perovskit solceller ofte indeholder bly, hvilket øger bekymringen for toksicitet, viser blyfrie perovskit inspirerede materialer også løfte som indendørs solceller. Mens der forskes masser af perovskitceller, er der behov for yderligere forskning for at undersøge mulighederne for IPV'er og udvikle produkter, der kan bruges til at drive tingenes internet.

Fotosensorer

Fotosensorer er sensorer af lys eller anden elektromagnetisk stråling . En fotodetektor har et p – n -kryds, der konverterer lette fotoner til strøm. De absorberede fotoner danner elektron -hul -par i udtømningsområdet . Fotodioder og fototransistorer er et par eksempler på fotodetektorer. Solceller konverterer noget af den lysenergi, der absorberes, til elektrisk energi.

Eksperimentel teknologi

Et antal solcellemoduler kan også monteres lodret over hinanden i et tårn, hvis solens zenith -afstand er større end nul, og tårnet kan drejes vandret som en helhed og hvert modul yderligere omkring en vandret akse. I et sådant tårn kan modulerne nøjagtigt følge solen. En sådan indretning kan beskrives som en stige monteret på en drejelig disk. Hvert trin i denne stige er midteraksen på et rektangulært solpanel. Hvis solens zenith -afstand når nul, kan "stigen" drejes mod nord eller syd for at undgå, at et solcellemodul producerer en skygge på en lavere. I stedet for et præcist lodret tårn kan man vælge et tårn med en akse rettet mod polarstjernen , hvilket betyder, at det er parallelt med Jordens rotationsakse . I dette tilfælde er vinklen mellem aksen og solen altid større end 66 grader. I løbet af en dag er det kun nødvendigt at dreje panelerne rundt om denne akse for at følge solen. Installationer kan være jordmonteret (og undertiden integreret med landbrug og græsning) eller indbygget i taget eller vægge i en bygning ( bygningsintegreret solcelleanlæg ).

Effektivitet

Bedste forskningscelleeffektivitet

Den mest effektive type solceller til dato er en multikryds-koncentrationssolcelle med en effektivitet på 46,0% produceret af Fraunhofer ISE i december 2014. De højeste effektiviteter opnået uden koncentration omfatter et materiale fra Sharp Corporation på 35,8% ved hjælp af en proprietær triple -funktionsteknologi i 2009 og Boeing Spectrolab (40,7% bruger også et tredobbelt design).

Der er en løbende indsats for at øge konverteringseffektiviteten af ​​PV -celler og moduler, primært med henblik på konkurrencemæssige fordele. For at øge solcellernes effektivitet er det vigtigt at vælge et halvledermateriale med et passende båndgab, der matcher solspektret. Dette vil forbedre de elektriske og optiske egenskaber. Forbedring af metoden til opkrævning af gebyrer er også nyttig til at øge effektiviteten. Der er flere grupper af materialer, der udvikles. Ultrahøjeffektive enheder (η> 30%) fremstilles ved hjælp af GaA'er og GaInP2-halvledere med multifunktionelle tandemceller. Højkvalitets, single-crystal silicium materialer bruges til at opnå højeffektive, billige celler (η> 20%).

Den seneste udvikling inden for organiske fotovoltaiske celler (OPV'er) har gjort betydelige fremskridt inden for strømkonverteringseffektivitet fra 3% til over 15% siden introduktionen i 1980'erne. Til dato spænder den højeste rapporterede effektomdannelseseffektivitet fra 6,7% til 8,94% for små molekyler, 8,4% –10,6% for polymer OPV'er og 7% til 21% for perovskite OPV'er. OPV'er forventes at spille en stor rolle på solcellemarkedet. De seneste forbedringer har øget effektiviteten og sænket omkostningerne, mens de forbliver miljømæssigt godartede og vedvarende.

Flere virksomheder er begyndt at integrere strømoptimatorer i PV -moduler kaldet smarte moduler . Disse moduler udfører maksimal power point tracking (MPPT) for hvert modul individuelt, måler ydelsesdata til overvågning og giver yderligere sikkerhedsfunktioner. Sådanne moduler kan også kompensere for skyggeeffekter, hvor en skygge, der falder hen over en sektion af et modul, får den elektriske effekt fra en eller flere cellestrenge i modulet til at falde.

En af hovedårsagerne til nedsat ydelse af celler er overophedning. Effektiviteten af ​​en solcelle falder med ca. 0,5% for hver 1 grad Celsius stigning i temperaturen. Det betyder, at en stigning i overfladetemperaturen på 100 grader kan reducere effektiviteten af ​​en solcelle med cirka det halve. Selvkølende solceller er en løsning på dette problem. I stedet for at bruge energi til at afkøle overfladen, kan pyramide- og kegleformer dannes af silica og fastgøres til overfladen af ​​et solpanel. Dette gør det muligt for synligt lys at nå solcellerne , men reflekterer infrarøde stråler (som bærer varme).

Fordele

De 122  PW sollys, der når Jordens overflade, er rigelige - næsten 10.000 gange mere end de 13 TW ækvivalenter af gennemsnitlig strøm, der forbruges i 2005 af mennesker. Denne overflod fører til antydningen om, at det ikke vil vare længe, ​​før solenergi bliver verdens primære energikilde. Derudover har solenergiproduktion den højeste effekttæthed (globalt gennemsnit på 170 W/m 2 ) blandt vedvarende energikilder.

Solenergi er forureningsfri under brug, hvilket gør det muligt at reducere forureningen, når den erstattes af andre energikilder. For eksempel skønnede MIT , at 52.000 mennesker om året dør for tidligt i USA af kulkraftværksforurening, og alle på nær et af disse dødsfald kunne forhindres i at bruge PV til at erstatte kul. Produktionens endelige affald og emissioner er håndterbare ved hjælp af eksisterende forureningskontrol. Slutbrug af genbrugsteknologier er under udvikling, og der udarbejdes politikker, der tilskynder til genanvendelse fra producenter.

PV-installationer kunne ideelt set fungere i 100 år eller endnu mere med lidt vedligeholdelse eller indgriben efter deres første opsætning, så efter de første kapitalomkostninger ved at bygge et solcelleanlæg er driftsomkostningerne ekstremt lave i forhold til eksisterende energiteknologier.

Nettilsluttet solenergi kan bruges lokalt og reducerer dermed transmission/distributionstab (transmissionstab i USA var cirka 7,2% i 1995).

I forhold til fossile og nukleare energikilder er der investeret meget få forskningspenge i udviklingen af ​​solceller, så der er betydeligt plads til forbedringer. Ikke desto mindre har eksperimentelle højeffektive solceller allerede en effektivitet på over 40% i tilfælde af koncentrering af fotovoltaiske celler, og effektiviteten stiger hurtigt, mens masseproduktionsomkostningerne falder hurtigt.

I nogle stater i USA kan meget af investeringen i et hjemmemonteret system gå tabt, hvis boligejeren flytter, og køberen lægger mindre værdi på systemet end sælgeren. Byen Berkeley udviklede en innovativ finansieringsmetode til at fjerne denne begrænsning ved at tilføje en skatteansættelse, der overføres med hjemmet til at betale for solpanelerne. Nu kendt som PACE , Property Assessed Clean Energy, har 30 amerikanske stater kopieret denne løsning.

Der er beviser, i hvert fald i Californien, for at tilstedeværelsen af ​​et hjemmemonteret solsystem faktisk kan øge værdien af ​​et hjem. Ifølge et papir, der blev offentliggjort i april 2011 af Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory med titlen An Analysis of the Effects of Residential Photovoltaic Energy Systems on Home Sales Prices in California:

Forskningen finder stærke beviser for, at boliger med solcelleanlæg i Californien har solgt for en præmie i forhold til sammenlignelige boliger uden solcelleanlæg. Mere specifikt spænder estimater for gennemsnitlige PV -præmier fra ca. Denne værdi svarer til en præmie på cirka 17.000 dollar for et relativt nyt 3.100 watt solcelleanlæg (den gennemsnitlige størrelse af solcelleanlæg i undersøgelsen).

Ulemper

  • Forurening og energi i produktionen

PV har været en velkendt metode til at generere ren, emissionsfri elektricitet. PV -systemer er ofte lavet af PV -moduler og inverter (ændring af DC til AC). PV -moduler er hovedsageligt fremstillet af PV -celler, som ikke har nogen grundlæggende forskel fra det materiale, der bruges til fremstilling af computerchips. Processen med at producere PV-celler er energikrævende og involverer meget giftige og miljøgiftige kemikalier. Der er et par PV -fabrikker rundt om i verden, der producerer PV -moduler med energi produceret fra PV. Denne kontraaktive foranstaltning reducerer CO2 -fodaftrykket i fremstillingsprocessen af ​​PV -celler betydeligt. Håndtering af de kemikalier, der bruges og produceres under fremstillingsprocessen, er underlagt fabrikkernes lokale love og regler.

  • Indvirkning på elnet
Net med høj penetration af vedvarende energikilder har generelt brug for mere fleksibel produktion frem for baseloadproduktion

For fotovoltaiske systemer bag på måleren på taget bliver energistrømmen tovejs. Når der er mere lokal produktion end forbrug, eksporteres elektricitet til nettet, hvilket giver mulighed for nettomåling . Imidlertid er elnet traditionelt ikke designet til at håndtere tovejs energioverførsel, hvilket kan indføre tekniske problemer. Der kan komme et overspændingsproblem, da strømmen strømmer fra disse PV-husstande tilbage til netværket. Der er løsninger til håndtering af overspændingsproblemet, såsom regulering af PV-omformerens effektfaktor, nyt spændings- og energistyringsudstyr på el-distributørniveau, omdirigering af el-ledningerne, håndtering af efterspørgsel osv. Der er ofte begrænsninger og omkostninger forbundet til disse løsninger.

Høj generation i løbet af midten af ​​dagen reducerer nettoproduktionsbehovet, men højere spidsbelastning efterspørgsel, når solen går ned, kan kræve en hurtig stigning af forsyningsselskaber, der producerer en lastprofil kaldet andekurven .

  • Implikationer for elregningshåndtering og energiinvesteringer

Der er ingen sølvkugle i el- eller energibehov og regningshåndtering, fordi kunder (websteder) har forskellige specifikke situationer, f.eks. Forskellige behov for komfort/bekvemmelighed, forskellige eltariffer eller forskellige brugsmønstre. Elektricitetstariff kan have et par elementer, såsom daglig adgang og målegebyr, energiafgift (baseret på kWh, MWh) eller spidsbelastningsafgift (f.eks. En pris for det højeste 30min energiforbrug i en måned). PV er en lovende mulighed for at reducere energiafgifter, når elpriser er rimeligt høje og konstant stigende, f.eks. I Australien og Tyskland. For websteder med høj efterspørgsel på stedet kan PV imidlertid være mindre attraktive, hvis spidsbehovet for det meste forekommer sidst på eftermiddagen til tidlig aften, f.eks. I bofællesskaber. Generelt er energiinvesteringer stort set en økonomisk beslutning, og det er bedre at træffe investeringsbeslutninger baseret på systematisk evaluering af muligheder inden for driftsforbedringer, energieffektivitet, onsite -produktion og energilagring.

Se også

Referencer

Yderligere læsning