Miks võib fotogalvaaniline elektritootmine olla taastuvenergia tootmises juhtival kohal?

Tarbijad, tööstused ja valitsused võtavad kõik meetmeid taastuvenergia kasutamise suurendamiseks. See nihutab elektritootmis- ja jaotussüsteemi tsentraliseeritud jaoturi- ja kodaraarhitektuurilt rohkem võrgupõhisele lokaliseeritud elektritootmisele ja -tarbimisele ning stabiilsele pakkumisele ja nõudlusele nutika võrguühenduse kaudu.

Rahvusvahelise Energiaagentuuri (IEA) 2019. aasta oktoobri kütusearuande kohaseltaastaks 2024 kasvab taastuvenergia tootmine 50%.

See tähendab, et globaalne taastuvenergia tootmisvõimsus kasvab 1200 GW võrra, mis on võrdne USA praeguse installeeritud võimsusega.Aruandes ennustatakse, et 60% taastuvenergia tootmise kasvust moodustab fotogalvaanilised päikeseseadmed.

Aruandes rõhutatakse ka hajutatud fotogalvaaniliste elektritootmissüsteemide tähtsust, kuna tarbijad, ärihooned ja tööstusrajatised hakkavad ise elektrit tootma. See ennustab, et 2024. aastaks kahekordistub hajutatud fotogalvaaniline elektritootmine enam kui 500 GW-ni. See tähendab, ethajutatud fotogalvaaniline elektritootmine moodustab peaaegu poole päikeseenergia tootmise koguarvust.

Päikeseenergia eelis

Miks võtab fotogalvaaniline päikeseenergia tootmine taastuvenergia elektritootmise kasvus nii juhtiva positsiooni?

Üks ilmne põhjus on see, et päike paistab meile kõigile, mistõttu selle energiat kasutatakse laialdaselt. See viib elektritootmise energiatarbimisele lähemale ja edastab voolu võrgust väljas asuvasse punkti, mis on eriti kasulik elektrijaotuskadude vähendamiseks.

Teine ilmne põhjus on seepäikeseenergiat on palju. Selle arvutamisel, kui palju maakera päikeselt energiat saab, on palju peeneid erinevusi. Rusikareegel on, et keskmine meretase on päikesepaistelisel päeval 1 kW ruutmeetri kohta või kui võtta arvesse selliseid tegureid nagu päeva/öö tsükkel, langemisnurk ja hooajalisus, on keskmine ruutmeetri kohta päevas. M 6 kWh.

Päikesepatareid kasutavad fotoelektrilist efekti, et muuta langev valgus footonite voona elektrienergiaks. Footonid neelavad pooljuhtmaterjalid, näiteks legeeritud räni, ja nende energia ergastab elektrone nende molekulaar- või aatomiorbitaalidelt. Need elektronid võivad seejärel üleliigset energiat soojusena hajutada ja oma orbiidile tagasi pöörduda või levida elektroodile ja saada osaks voolust, et kompenseerida elektroodil tekitatud potentsiaalide erinevust.

Nagu kõigi energia muundamise protsesside puhul, ei väljastata kogu päikesepatareidesse sisestatud energia eelistatud elektrienergia vormis. Tegelikult on monokristalliliste räni päikesepatareide energiatõhusus olnud juba aastaid 20–25%. Päikese fotogalvaanika võimalused on aga nii suured, et uurimisrühm on aastakümneid töötanud selle nimel, et kasutada järjest keerukamaid struktuure ja materjale, et parandada rakkude muundamise efektiivsust, nagu on näidatud sellel pildil NREL-i poolt.

Näidatud kõrgema energiatõhususe saavutamine toimub tavaliselt mitme erineva materjali ning keerukamate ja kallimate tootmistehnikate kasutamise arvelt.

Paljud päikeseenergia seadmed põhinevad erinevat tüüpi kristallilisel ränil või õhukestel räni, kaadmiumtelluriidi või vask-indium-galliumseleniidi kiledel, mille muundamise efektiivsus on 20–30%. Aku on moodulisse sisse ehitatud ja paigaldaja saab neid mooduleid kasutada põhiseadmena fotogalvaanilise päikeseenergia tootmissüsteemi ehitamiseks.

Energiatõhususe väljakutse

Fotogalvaaniline muundamine muudab kilovatti päikeseenergiat, mis langeb igale maapinna ruutmeetrile, 200–300 W elektrienergiaks. Loomulikult on see ideaalsetes tingimustes. Konversiooni efektiivsus võib aga väheneda järgmistel põhjustel: vihm, lumi ja aku pinnale ladestunud tolm, pooljuhtmaterjalide vananemise mõju ja keskkonnamuutustest, näiteks taimestiku kasvust tingitud suurenenud varjund. või uute hoonete ehitamine.

Seetõttu on tegelikkus see, et kuigi päikeseenergia on tasuta, nõuab päikeseenergia kasutamine kasuliku elektrienergia tootmiseks iga kogumise, salvestamise ja lõpliku elektrienergiaks muundamise etapi hoolikat optimeerimist. Üks suurimaid võimalusi energiatõhususe parandamiseks on seadmete disaininverter, mis muundab päikesepatarei (või selle akusalvestuse) alalisvoolu väljundi vahelduvvooluks, et seda kasutada otse või edastada võrgu kaudu.

Inverter muudab alalisvoolu sisendvoolu polaarsust nii, et see läheks vahelduvvoolu väljundile. Mida kõrgem on lülitussagedus, seda suurem on muundamise efektiivsus. Lihtne lüliti võib tekitada nelinurkse väljundi, mis suudab juhtida takistuslikku koormust, kuid harmoonilistega kahjustab see keerukamaid elektroonikaseadmeid, mis töötavad puhta siinuslaine vahelduvvooluga. Seetõttu on inverteri disainist saanud tasakaalu võti. Ühelt pooltlülitussageduse suurendamine, et parandada energiatõhusust, tööpinget ja elektritootmistteisest küljestminimeerida ruutlaine silumiseks kasutatavate abikomponentide maksumust.