Uudised
Lühike arutelu päikesepatareide tüüpide üle
Päikeseenergia oli kunagi arenenud kosmoselaevade ja mõnede uhkete vidinate pärusmaa, kuid see pole enam nii. Viimase kümnendi jooksul on päikeseenergia muutunud nišienergiaallikast ülemaailmse energiamaastiku oluliseks tugisambaks.
Maa puutub pidevalt kokku ligikaudu 173 000 TW päikesekiirgusega, mis on üle kümne korra suurem kui maailma keskmine elektrivajadus.
[1] See tähendab, et päikeseenergial on võime katta kõik meie energiavajadused.
2023. aasta esimesel poolel moodustas päikeseenergia tootmine 5,77% kogu USA elektritootmisest, võrreldes 4,95%ga 2022. aastal.
[2] Kuigi fossiilkütused (peamiselt maagaas ja kivisüsi) moodustavad 2022. aastal koguni 60,4% USA elektritootmisest,
[3] Kuid tähelepanu väärivad päikeseenergia kasvav mõju ja päikeseenergia tehnoloogia kiire areng.
Praegu on turul kolm peamist päikesepatareide kategooriat (tuntud ka kui fotogalvaanilised (PV) elemendid): kristalsed, õhukese kilega ja uued tehnoloogiad. Neil kolmel akutüübil on tõhususe, kulude ja eluea osas oma eelised.
01 kristall
Enamik kodu katusel olevaid päikesepaneele on valmistatud kõrge puhtusastmega monokristallilisest ränist. Seda tüüpi akude kasutegur on viimastel aastatel üle 26% ja kasutusiga üle 30 aasta.
[4] Kodumajapidamises kasutatavate päikesepaneelide kasutegur on praegu umbes 22%.
Polükristalliline räni maksab vähem kui monokristalliline räni, kuid on vähem efektiivne ja lühema elueaga. Madalam efektiivsus tähendab, et on vaja rohkem paneele ja rohkem pinda.
Päikesepatareid mis põhinevad mitme ristmikuga galliumarseniidi (GaAs) tehnoloogial, on tõhusamad kui traditsioonilised päikesepatareid. Nendel rakkudel on mitmekihiline struktuur ja iga kiht kasutab erinevat materjali, näiteks indiumgalliumfosfiidi (GaInP), indiumgalliumarseniidi (InGaAs) ja germaaniumi (Ge), et neelata erineva lainepikkusega päikesevalgust. Kuigi eeldatakse, et need mitmeühendusega elemendid saavutavad suure tõhususe, kannatavad need siiski kõrgete tootmiskulude ning ebaküpsete uurimis- ja arendustegevuse all, mis piirab nende ärilist teostatavust ja praktilisi rakendusi.
02 film
Õhukese kilega fotogalvaaniliste toodete peamine vool maailmaturul on kaadmiumtelluriidi (CdTe) fotogalvaanilised moodulid. Üle maailma on paigaldatud miljoneid selliseid mooduleid, mille elektritootmise tippvõimsus on üle 30 GW. Neid kasutatakse peamiselt kommunaalteenuste mastaabis elektritootmiseks Ameerika Ühendriikides. tehas.
Selles õhukese kiletehnoloogias sisaldab 1-ruutmeetrine päikesemoodul vähem kaadmiumi kui AAA-suuruses nikkel-kaadmium (Ni-Cd) aku. Lisaks on päikesemoodulites olev kaadmium seotud telluuriga, mis ei lahustu vees ja püsib stabiilsena isegi kuni 1200°C temperatuuridel. Need tegurid vähendavad õhukese kilega akudes kaadmiumtelluriidi kasutamisega kaasnevaid toksilisi ohte.
Telluuri sisaldus maakoores on vaid 0,001 miljondikosa. Nii nagu plaatina on haruldane element, võib telluuri haruldus märkimisväärselt mõjutada kaadmiumtelluriidi mooduli maksumust. Seda probleemi on aga võimalik taaskasutustavadega leevendada.
Kaadmiumtelluriidmoodulite efektiivsus võib ulatuda 18,6% -ni ja aku efektiivsus laborikeskkonnas võib ületada 22%. [5] Arseeni dopingu kasutamine vase dopingu asendamiseks, mida on pikka aega kasutatud, võib oluliselt pikendada mooduli eluiga ja saavutada kristallpatareidega võrreldava taseme.
03 Arenevad tehnoloogiad
Uued fotogalvaanilised tehnoloogiad, mis kasutavad üliõhukesi kilesid (alla 1 mikroni) ja otsesadestamise tehnikaid, vähendavad tootmiskulusid ja pakuvad päikesepatareide jaoks kvaliteetseid pooljuhte. Eeldatakse, et neist tehnoloogiatest saavad konkurendid väljakujunenud materjalidele, nagu räni, kaadmiumtelluriid ja galliumarseniid.
[6]Selles valdkonnas on kolm tuntud õhukese kile tehnoloogiat: vasktsink-tinasulfiid (Cu2ZnSnS4 või CZTS), tsinkfosfiid (Zn3P2) ja ühe seinaga süsinik-nanotorud (SWCNT). Laboratoorsetes tingimustes on vask-indiumgalliumseleniidi (CIGS) päikesepatareid saavutanud muljetavaldava maksimaalse efektiivsuse 22,4%. Selliste tõhususe tasemete kordamine kaubanduslikul tasandil on aga endiselt väljakutse.
[7]Pliihalogeniidperovskiit-õhukesekileelemendid on atraktiivne arenev päikeseenergia tehnoloogia. Perovskiit on tüüpilise kristallstruktuuriga aine tüüp, mille keemiline valem on ABX3. See on kollane, pruun või must mineraal, mille põhikomponendiks on kaltsiumtitanaat (CaTiO3). Ühendkuningriigi ettevõtte Oxford PV toodetud kommertsmastaabis ränipõhised perovskiit-tandempäikesepatareid on saavutanud rekordilise 28,6% efektiivsuse ja lähevad tootmisse sel aastal.
[8]Vaid mõne aastaga on perovskiit-päikesepatareid saavutanud olemasolevate kaadmiumtelluriidi õhukese kilega elementide omaga sarnase efektiivsuse. Perovskiitpatareide varajases uurimis- ja arendustegevuses oli eluiga suur probleem, nii lühike, et seda sai arvutada vaid kuude kaupa.
Tänapäeval on perovskiitrakkude kasutusiga 25 aastat või rohkem. Praegu on perovskiidist päikesepatareide eelisteks kõrge konversioonitõhusus (üle 25%), madalad tootmiskulud ja tootmisprotsessiks vajalikud madalad temperatuurid.
Integreeritud päikesepaneelide ehitamine
Mõned päikesepatareid on loodud püüdma ainult osa päikesespektrist, võimaldades samal ajal nähtaval valgusel läbida. Neid läbipaistvaid elemente nimetatakse värvitundlikeks päikesepatareideks (DSC) ja need sündisid Šveitsis 1991. aastal. Viimaste aastate uued uurimis- ja arendustulemused on DSC-de tõhusust parandanud ja ei pruugi kaua minna, kui need päikesepaneelid turule jõuavad.
Mõned ettevõtted infundeerivad anorgaanilisi nanoosakesi klaasi polükarbonaadikihtidesse. Selle tehnoloogia nanoosakesed nihutavad spektri teatud osad klaasi servale, võimaldades suurema osa spektrist läbida. Klaasi servale koondunud valgust kasutavad seejärel päikesepatareid. Lisaks uuritakse praegu tehnoloogiat, kuidas perovskiit-õhukesi materjale kanda läbipaistvatele päikesepaneelidele ja hoonete välisseintele.
Päikeseenergia jaoks vajalikud toorained
Päikeseenergia tootmise suurendamiseks suureneb nõudlus selliste oluliste toorainete nagu räni, hõbe, vask ja alumiinium kaevandamise järele. USA energeetikaministeerium teatab, et ligikaudu 12% maailma metallurgilise kvaliteediga ränist (MGS) töödeldakse päikesepaneelide jaoks polüräniks.
Hiina on selles valdkonnas suur tegija, kes toodab 2020. aastal ligikaudu 70% maailma MGS-st ja 77% oma polüräni tarnetest.
Räni polüräniks muutmise protsess nõuab väga kõrgeid temperatuure. Hiinas saadakse nende protsesside jaoks energiat peamiselt kivisöest. Xinjiangil on ohtralt söeressursse ja madalad elektrikulud ning selle polüräni tootmine moodustab 45% ülemaailmsest toodangust.
[12]Päikesepaneelide tootmiseks kulub umbes 10% maailma hõbedast. Hõbeda kaevandatakse peamiselt Mehhikos, Hiinas, Peruus, Tšiilis, Austraalias, Venemaal ja Poolas ning see võib põhjustada selliseid probleeme nagu raskmetallide saastumine ja kohalike kogukondade sunnitud ümberpaigutamine.
Vase ja alumiiniumi kaevandamine tekitab ka maakasutuse väljakutseid. USA geoloogiateenistus märgib, et Tšiili moodustab 27% ülemaailmsest vasetoodangust, järgnevad Peruu (10%), Hiina (8%) ja Kongo Demokraatlik Vabariik (8%). Rahvusvaheline Energiaagentuur (IEA) usub, et kui ülemaailmne taastuvenergia kasutamine saavutab 2050. aastaks 100%, siis nõudlus päikeseenergiaprojektide vase järele peaaegu kolmekordistub.
[13]Järeldus
Kas päikeseenergiast saab ühel päeval meie peamine energiaallikas? Päikeseenergia hind langeb ja efektiivsus paraneb. Vahepeal on valikus palju erinevaid päikesetehnoloogia marsruute. Millal tuvastame ühe või kaks tehnoloogiat ja paneme need tegelikult tööle? Kuidas integreerida päikeseenergia võrku?
Päikeseenergia areng erivaldkonnast peavooluni tõstab esile selle potentsiaali meie energiavajaduste rahuldamiseks ja ületamiseks. Kuigi praegu domineerivad turul kristalsed päikesepatareid, sillutavad edusammud õhukese kilega tehnoloogias ja uued tehnoloogiad, nagu kaadmiumtelluriid ja perovskiidid, teed tõhusamatele ja integreeritud päikeseenergiarakendustele. Päikeseenergia seisab endiselt silmitsi paljude väljakutsetega, nagu tooraine kaevandamise keskkonnamõju ja kitsaskohad tootmises, kuid lõppude lõpuks on tegemist kiiresti areneva, innovaatilise ja perspektiivika tööstusega.
Tehnoloogiliste edusammude ja säästvate tavade õiges tasakaalus sillutab päikeseenergia kasv ja areng teed puhtama ja külluslikuma energia tulevikule. Seetõttu kasvab see USA energiaallikate hulgas märkimisväärselt ja sellest peaks saama globaalne jätkusuutlik lahendus.