Навіны
Кароткае абмеркаванне тыпаў сонечных батарэй
Калісьці сонечная энергія была запасам перадавых касмічных караблёў і некаторых мудрагелістых гаджэтаў, але цяпер гэта не так. За апошняе дзесяцігоддзе сонечная энергія ператварылася з нішавай крыніцы энергіі ў галоўную апору сусветнага энергетычнага ландшафту.
Зямля бесперапынна падвяргаецца ўздзеянню каля 173 000 ТВт сонечнай радыяцыі, што больш чым у дзесяць разоў перавышае сярэдні сусветны попыт на электраэнергію.
[1] Гэта азначае, што сонечная энергія можа задаволіць усе нашы патрэбы ў энергіі.
У першай палове 2023 года выпрацоўка сонечнай энергіі склала 5,77% ад агульнай вытворчасці электраэнергіі ў ЗША супраць 4,95% у 2022 годзе.
[2] Нягледзячы на тое, што выкапнёвае паліва (галоўным чынам прыродны газ і вугаль) будзе складаць 60,4% вытворчасці электраэнергіі ў ЗША ў 2022 годзе,
[3] Але ўсё большы ўплыў сонечнай энергіі і хуткае развіццё тэхналогій сонечнай энергіі заслугоўваюць увагі.
У цяперашні час на рынку прадстаўлены тры асноўныя катэгорыі сонечных элементаў (таксама вядомых як фотаэлектрычныя (PV) элементы): крышталічныя, тонкаплёнкавыя і новыя тэхналогіі. Гэтыя тры тыпы батарэй маюць свае перавагі з пункту гледжання эфектыўнасці, кошту і працягласці жыцця.
01 крышталь
Большасць дахавых сонечных панэляў вырабляюцца з монакрышталічнага крэмнію высокай чысціні. За апошнія гады гэты тып батарэі дасягнуў эфектыўнасці больш за 26% і тэрміну службы больш за 30 гадоў.
[4] Бягучы ККД бытавых сонечных батарэй складае каля 22%.
Полікрышталічны крэмній каштуе танней, чым монакрышталічны крэмній, але менш эфектыўны і мае меншы тэрмін службы. Больш нізкая эфектыўнасць азначае, што патрабуецца больш панэляў і больш плошчы.
Сонечныя батарэі заснаваныя на тэхналогіі арсеніду галію (GaAs) з некалькімі пераходамі, больш эфектыўныя, чым традыцыйныя сонечныя элементы. Гэтыя клеткі маюць шматслаёвую структуру, і кожны пласт выкарыстоўвае розныя матэрыялы, напрыклад, фасфід галію індыя (GaInP), арсенід галію індыя (InGaAs) і германій (Ge), для паглынання розных даўжынь хваль сонечнага святла. Нягледзячы на тое, што гэтыя шматпераходныя ячэйкі павінны дасягнуць высокай эфектыўнасці, яны па-ранейшаму пакутуюць ад высокіх вытворчых выдаткаў і няспелых даследаванняў і распрацовак, што абмяжоўвае іх камерцыйную мэтазгоднасць і практычнае прымяненне.
02 фільм
Галоўным напрамкам тонкаплёнкавых фотаэлектрычных прадуктаў на сусветным рынку з'яўляюцца фотаэлектрычныя модулі з тэлурыду кадмію (CdTe). Мільёны такіх модуляў былі ўсталяваныя па ўсім свеце з пікавай магутнасцю выпрацоўкі энергіі больш за 30 ГВт. Яны ў асноўным выкарыстоўваюцца для выпрацоўкі электраэнергіі ў камунальным маштабе ў Злучаных Штатах. завод.
У гэтай тонкаплёнкавай тэхналогіі сонечны модуль плошчай 1 квадратны метр змяшчае менш кадмію, чым нікель-кадміевая (Ni-Cd) батарэя памеру AAA. Акрамя таго, кадмій у сонечных модулях звязаны з тэлурам, які не раствараецца ў вадзе і застаецца стабільным пры тэмпературах да 1200°C. Гэтыя фактары змякчаюць таксічныя небяспекі выкарыстання тэлурыду кадмію ў тонкаплёнкавых батарэях.
Змест тэлура ў зямной кары складае ўсяго 0,001 частак на мільён. Падобна таму, як плаціна з'яўляецца рэдкім элементам, рэдкасць тэлура можа істотна паўплываць на кошт модуля тэлурыду кадмію. Тым не менш, можна палегчыць гэтую праблему шляхам перапрацоўкі.
ККД модуляў тэлурыду кадмію можа дасягаць 18,6%, а ККД батарэі ў лабараторных умовах можа перавышаць 22%. [5] Выкарыстанне легіравання мыш'яком для замены легіравання меддзю, якое выкарыстоўвалася на працягу доўгага часу, можа значна павялічыць тэрмін службы модуля і дасягнуць узроўню, параўнальнага з крыштальнымі батарэямі.
03 Новыя тэхналогіі
Новыя фотаэлектрычныя тэхналогіі з выкарыстаннем звыштонкіх плёнак (менш за 1 мікрон) і метадаў прамога нанясення знізяць вытворчыя выдаткі і забяспечаць высакаякасныя паўправаднікі для сонечных элементаў. Чакаецца, што гэтыя тэхналогіі стануць канкурэнтамі вядомых матэрыялаў, такіх як крэмній, тэлурыд кадмію і арсенід галію.
[6] У гэтай галіне існуюць тры добра вядомыя тонкаплёнкавыя тэхналогіі: сульфід медзі, цынку і волава (Cu2ZnSnS4 або CZTS), фасфід цынку (Zn3P2) і аднасценныя вугляродныя нанатрубкі (SWCNT). У лабараторных умовах сонечныя батарэі з селеніду медзі індый-галію (CIGS) дасягнулі ўражлівага піку эфектыўнасці ў 22,4%. Аднак паўтарэнне такіх узроўняў эфектыўнасці ў камерцыйных маштабах застаецца праблемай.
[7] Тонкаплёнкавыя элементы з перовскитом галогеніду свінцу з'яўляюцца прывабнай новай сонечнай тэхналогіяй. Перовскит - тып рэчывы з тыповай крышталічнай структурай хімічнай формулы ABX3. Гэта жоўты, карычневы або чорны мінерал, асноўным кампанентам якога з'яўляецца тытанат кальцыя (CaTiO3). Тандэмныя сонечныя батарэі на аснове крэмнію на перовскитовой аснове, вырабленыя брытанскай кампаніяй Oxford PV, дасягнулі рэкорднага ККД у 28,6 % і будуць запушчаны ў вытворчасць у гэтым годзе.
[8] Усяго за некалькі гадоў перовскитовые сонечныя элементы дасягнулі эфектыўнасці, аналагічнай эфектыўнасці існуючых тонкаплёнкавых элементаў з тэлурыду кадмію. Падчас першых даследаванняў і распрацовак перовскитовых батарэй працягласць жыцця была вялікай праблемай, настолькі кароткай, што яе можна было вылічыць толькі месяцамі.
Сёння перовскитовые клеткі маюць тэрмін службы 25 і больш гадоў. У цяперашні час перавагамі перовскитовых сонечных батарэй з'яўляюцца высокая эфектыўнасць пераўтварэння (больш за 25%), нізкія выдаткі на вытворчасць і нізкія тэмпературы, неабходныя для вытворчага працэсу.
Будаўніцтва інтэграваных сонечных батарэй
Некаторыя сонечныя батарэі прызначаныя для захопу толькі часткі сонечнага спектру, дазваляючы пры гэтым прапускаць бачнае святло. Гэтыя празрыстыя элементы называюцца сенсібілізаванымі да фарбавальніка сонечнымі элементамі (DSC) і былі створаны ў Швейцарыі ў 1991 годзе. Новыя вынікі даследаванняў і распрацовак за апошнія гады палепшылі эфектыўнасць DSC, і, магчыма, неўзабаве гэтыя сонечныя панэлі з'явяцца на рынку.
Некаторыя кампаніі ўліваюць неарганічныя наначасціцы ў полікарбанатныя пласты шкла. Наначасціцы ў гэтай тэхналогіі ссоўваюць пэўныя часткі спектру да краю шкла, дазваляючы прапускаць большую частку спектру. Затым святло, сканцэнтраванае на краі шкла, выкарыстоўваецца сонечнымі элементамі. Акрамя таго, у цяперашні час вывучаецца тэхналогія нанясення перовскитных тонкаплёнкавых матэрыялаў на празрыстыя сонечныя вокны і вонкавыя сцены будынкаў.
Сыравіна, неабходная для сонечнай энергіі
Для павелічэння вытворчасці сонечнай энергіі ўзрасце попыт на здабычу важнай сыравіны, такой як крэмній, срэбра, медзь і алюміній. Міністэрства энергетыкі ЗША сцвярджае, што прыкладна 12% сусветнага металургічнага крэмнію (MGS) перапрацоўваецца ў полікрыліцый для сонечных панэляў.
Кітай з'яўляецца буйным гульцом у гэтай галіне, вырабляючы прыкладна 70% сусветнага MGS і 77% сваіх паставак полікрылію ў 2020 годзе.
Працэс пераўтварэння крэмнія ў полікрэмній патрабуе вельмі высокіх тэмператур. У Кітаі энергія для гэтых працэсаў у асноўным паступае з вугалю. Сіньцзян валодае багатымі рэсурсамі вугалю і нізкімі выдаткамі на электраэнергію, а яго вытворчасць полікрэмнія складае 45% сусветнай вытворчасці.
[12] Вытворчасць сонечных батарэй спажывае прыкладна 10% сусветнага срэбра. Здабыча срэбра адбываецца ў асноўным у Мексіцы, Кітаі, Перу, Чылі, Аўстраліі, Расіі і Польшчы і можа прывесці да такіх праблем, як забруджванне цяжкімі металамі і прымусовае перасяленне мясцовых суполак.
Здабыча медзі і алюмінію таксама стварае праблемы землекарыстання. Геалагічная служба ЗША адзначае, што на Чылі прыпадае 27% сусветнай вытворчасці медзі, за ёй ідуць Перу (10%), Кітай (8%) і Дэмакратычная Рэспубліка Конга (8%). Міжнароднае энергетычнае агенцтва (МЭА) лічыць, што калі глабальнае выкарыстанне аднаўляльных крыніц энергіі дасягне 100% да 2050 года, попыт на медзь ад сонечных праектаў вырасце амаль утрая.
[13] Заключэнне
Ці стане аднойчы сонечная энергія нашай асноўнай крыніцай энергіі? Кошт сонечнай энергіі падае, а эфектыўнасць павялічваецца. У той жа час, ёсць шмат розных сонечных тэхналогій маршрутаў на выбар. Калі мы вызначым адну-дзве тэхналогіі і прымусім іх рэальна працаваць? Як інтэграваць сонечную энергію ў сетку?
Эвалюцыя сонечнай энергіі ад спецыяльнасці да масавай паказвае яе патэнцыял для задавальнення і перавышэння нашых патрэбаў у энергіі. У той час як крышталічныя сонечныя батарэі ў цяперашні час дамінуюць на рынку, прагрэс у тэхналогіі тонкіх плёнак і новыя тэхналогіі, такія як тэлурыд кадмію і пераўскіты, адкрываюць шлях для больш эфектыўных і інтэграваных сонечных прымянення. Сонечная энергетыка па-ранейшаму сутыкаецца са шматлікімі праблемамі, такімі як уздзеянне здабычы сыравіны на навакольнае асяроддзе і вузкія месцы ў вытворчасці, але ў рэшце рэшт гэта інавацыйная і перспектыўная галіна, якая хутка развіваецца.
Пры правільным балансе тэхналагічных дасягненняў і ўстойлівых метадаў рост і развіццё сонечнай энергіі пракладзе шлях да больш чыстай і багатай энергіяй будучыні. З-за гэтага ён пакажа значны рост у энергетычным балансе ЗША і, як чакаецца, стане глабальным устойлівым рашэннем.