Jaunumi
Īsa diskusija par saules bateriju veidiem
Saules enerģija kādreiz bija modernu kosmosa kuģu un dažu izdomātu ierīču krājums, taču tas vairs tā nav. Pēdējo desmit gadu laikā saules enerģija no nišas enerģijas avota ir kļuvusi par galveno globālās enerģijas ainavas pīlāru.
Zeme nepārtraukti tiek pakļauta aptuveni 173 000 TW saules starojuma, kas ir vairāk nekā desmit reizes lielāks par pasaules vidējo elektroenerģijas pieprasījumu.
[1] Tas nozīmē, ka saules enerģija spēj apmierināt visas mūsu enerģijas vajadzības.
2023. gada pirmajā pusē saules enerģijas ražošana veidoja 5,77% no kopējās ASV elektroenerģijas ražošanas apjoma, salīdzinot ar 4,95% 2022. gadā.
[2] Lai gan fosilais kurināmais (galvenokārt dabasgāze un ogles) veidos pat 60,4% no ASV elektroenerģijas ražošanas 2022. gadā,
[3] Taču uzmanību ir pelnījusi pieaugošā saules enerģijas ietekme un straujā saules enerģijas tehnoloģiju attīstība.
Pašlaik tirgū ir trīs galvenās saules bateriju kategorijas (pazīstamas arī kā fotoelementu (PV) elementi): kristāliskās, plānās plēves un jaunās tehnoloģijas. Šiem trīs veidu akumulatoriem ir savas priekšrocības efektivitātes, izmaksu un kalpošanas laika ziņā.
01 kristāls
Lielākā daļa mājas jumta saules paneļu ir izgatavoti no augstas tīrības pakāpes monokristāliskā silīcija. Šāda veida akumulatori pēdējos gados ir sasnieguši vairāk nekā 26% efektivitāti un vairāk nekā 30 gadu kalpošanas laiku.
[4] Pašreizējā sadzīves saules paneļu efektivitāte ir aptuveni 22%.
Polikristāliskais silīcijs maksā mazāk nekā monokristāliskais silīcijs, taču tas ir mazāk efektīvs un tam ir īsāks kalpošanas laiks. Zemāka efektivitāte nozīmē, ka nepieciešams vairāk paneļu un vairāk platības.
Saules baterijas Pamatojoties uz vairāku savienojumu gallija arsenīda (GaAs) tehnoloģiju, ir efektīvāki nekā tradicionālās saules baterijas. Šīm šūnām ir daudzslāņu struktūra, un katrā slānī tiek izmantots cits materiāls, piemēram, indija gallija fosfīds (GaInP), indija gallija arsenīds (InGaAs) un germānija (Ge), lai absorbētu dažādus saules gaismas viļņu garumus. Lai gan paredzams, ka šīs daudzsavienojumu šūnas sasniegs augstu efektivitāti, tās joprojām cieš no augstām ražošanas izmaksām un nenobriedušas pētniecības un izstrādes, kas ierobežo to komerciālo iespējamību un praktisko pielietojumu.
02 filma
Plānas plēves fotoelektrisko izstrādājumu galvenais virziens globālajā tirgū ir kadmija telurīda (CdTe) fotoelementu moduļi. Visā pasaulē ir uzstādīti miljoniem šādu moduļu ar maksimālo elektroenerģijas ražošanas jaudu, kas pārsniedz 30 GW. Tos galvenokārt izmanto komunālo pakalpojumu mēroga elektroenerģijas ražošanai Amerikas Savienotajās Valstīs. rūpnīca.
Šajā plānās plēves tehnoloģijā 1 kvadrātmetra saules modulis satur mazāk kadmija nekā AAA izmēra niķeļa-kadmija (Ni-Cd) akumulators. Turklāt saules moduļos esošais kadmijs ir saistīts ar telūru, kas nešķīst ūdenī un saglabājas stabils pat 1200°C temperatūrā. Šie faktori mazina toksisko risku, ko rada kadmija telurīda izmantošana plānslāņa baterijās.
Telūra saturs zemes garozā ir tikai 0,001 ppm. Tāpat kā platīns ir rets elements, telūra retums var būtiski ietekmēt kadmija telurīda moduļa izmaksas. Tomēr šo problēmu ir iespējams mazināt, izmantojot pārstrādes praksi.
Kadmija telurīda moduļu efektivitāte var sasniegt 18,6%, bet akumulatora efektivitāte laboratorijas vidē var pārsniegt 22%. [5] Izmantojot arsēna dopingu, lai aizstātu vara dopingu, kas tika izmantots ilgu laiku, var ievērojami uzlabot moduļa kalpošanas laiku un sasniegt līmeni, kas salīdzināms ar kristāla baterijām.
03 Jaunās tehnoloģijas
Jaunās fotoelektriskās tehnoloģijas, kurās izmanto īpaši plānas plēves (mazāk par 1 mikronu) un tiešās nogulsnēšanas metodes, samazinās ražošanas izmaksas un nodrošinās augstas kvalitātes pusvadītājus saules baterijām. Paredzams, ka šīs tehnoloģijas kļūs par konkurentiem tādiem vispāratzītiem materiāliem kā silīcijs, kadmija telurīds un gallija arsenīds.
[6]Šajā jomā ir trīs labi zināmas plānslāņa tehnoloģijas: vara cinka alvas sulfīds (Cu2ZnSnS4 vai CZTS), cinka fosfīds (Zn3P2) un vienas sienas oglekļa nanocaurules (SWCNT). Laboratorijas apstākļos vara indija gallija selenīda (CIGS) saules baterijas ir sasniegušas iespaidīgu maksimālo efektivitāti 22,4%. Tomēr šādu efektivitātes līmeņu atkārtošana komerciālā mērogā joprojām ir izaicinājums.
[7]Svina halogenīda perovskīta plānslāņa elementi ir pievilcīga jauna saules tehnoloģija. Perovskīts ir vielas veids ar tipisku kristālisko struktūru pēc ķīmiskās formulas ABX3. Tas ir dzeltens, brūns vai melns minerāls, kura galvenā sastāvdaļa ir kalcija titanāts (CaTiO3). Apvienotās Karalistes kompānijas Oxford PV ražotās komerciālā mēroga silīcija bāzes perovskīta tandēma saules baterijas ir sasniegušas rekordlielu efektivitāti 28,6% apmērā, un tās sāks ražot šogad.
[8]Tikai dažu gadu laikā perovskīta saules baterijas ir sasniegušas tādu pašu efektivitāti kā esošajām kadmija telurīda plānās kārtiņas šūnām. Sākotnējā perovskīta bateriju izpētē un izstrādē dzīves ilgums bija liela problēma, jo tā bija tik īsa, ka to varēja aprēķināt tikai mēnešos.
Mūsdienās perovskīta šūnu kalpošanas laiks ir 25 gadi vai vairāk. Šobrīd perovskīta saules bateriju priekšrocības ir augsta konversijas efektivitāte (vairāk nekā 25%), zemas ražošanas izmaksas un ražošanas procesam nepieciešamā zemā temperatūra.
Integrētu saules paneļu būvniecība
Dažas saules baterijas ir paredzētas, lai uztvertu tikai daļu no saules spektra, vienlaikus ļaujot redzamajai gaismai iziet cauri. Šīs caurspīdīgās šūnas tiek sauktas par krāsu sensibilizētajām saules baterijām (DSC), un tās ir dzimušas Šveicē 1991. gadā. Jaunie pētniecības un izstrādes rezultāti pēdējos gados ir uzlabojuši DSC efektivitāti, un, iespējams, nebūs ilgs laiks, kad šie saules paneļi nonāks tirgū.
Daži uzņēmumi neorganiskās nanodaļiņas ievada stikla polikarbonāta slāņos. Šīs tehnoloģijas nanodaļiņas novirza noteiktas spektra daļas uz stikla malu, ļaujot lielākajai daļai spektra iziet cauri. Stikla malās koncentrēto gaismu pēc tam izmanto saules baterijas. Turklāt pašlaik tiek pētīta tehnoloģija perovskīta plānās kārtiņas materiālu uzklāšanai uz caurspīdīgiem saules logiem un ēku ārsienām.
Saules enerģijai nepieciešamās izejvielas
Lai palielinātu saules enerģijas ražošanu, pieaugs pieprasījums pēc svarīgu izejvielu, piemēram, silīcija, sudraba, vara un alumīnija, ieguves. ASV Enerģētikas departaments norāda, ka aptuveni 12% no pasaules metalurģiskās kvalitātes silīcija (MGS) tiek pārstrādāti polisilīcijā saules paneļiem.
Ķīna ir nozīmīgs spēlētājs šajā jomā, 2020. gadā saražojot aptuveni 70% no pasaules MGS un 77% no polisilīcija piegādes.
Silīcija pārvēršanai polisilīcijā ir nepieciešama ļoti augsta temperatūra. Ķīnā enerģiju šiem procesiem galvenokārt iegūst no oglēm. Sjiņdzjanā ir bagātīgi ogļu resursi un zemas elektroenerģijas izmaksas, un tās polisilīcija ražošana veido 45% no pasaules ražošanas apjoma.
[12]Saules paneļu ražošanā tiek patērēti aptuveni 10 % no pasaules sudraba. Sudraba ieguve galvenokārt notiek Meksikā, Ķīnā, Peru, Čīlē, Austrālijā, Krievijā un Polijā, un tas var izraisīt tādas problēmas kā smago metālu piesārņojums un vietējo kopienu piespiedu pārvietošana.
Vara un alumīnija ieguve arī rada zemes izmantošanas problēmas. ASV Ģeoloģijas dienests atzīmē, ka Čīlē tiek ražoti 27% no pasaules vara ražošanas apjoma, kam seko Peru (10%), Ķīna (8%) un Kongo Demokrātiskā Republika (8%). Starptautiskā Enerģētikas aģentūra (IEA) uzskata, ka, ja līdz 2050. gadam globālā atjaunojamās enerģijas patēriņš sasniegs 100%, pieprasījums pēc vara saules enerģijas projektos gandrīz trīskāršosies.
[13]Secinājums
Vai saules enerģija kādu dienu kļūs par mūsu galveno enerģijas avotu? Saules enerģijas cena krītas un efektivitāte uzlabojas. Tikmēr ir daudz dažādu saules tehnoloģiju maršrutu, no kuriem izvēlēties. Kad mēs identificēsim vienu vai divas tehnoloģijas un liksim tām reāli darboties? Kā integrēt saules enerģiju tīklā?
Saules enerģijas evolūcija no specialitātes uz galveno izceļ tās potenciālu apmierināt un pārsniegt mūsu enerģijas vajadzības. Lai gan pašlaik tirgū dominē kristāliskās saules baterijas, plānu kārtiņu tehnoloģiju attīstība un jaunās tehnoloģijas, piemēram, kadmija telurīds un perovskīti, paver ceļu efektīvākiem un integrētākiem saules enerģijas lietojumiem. Saules enerģija joprojām saskaras ar daudzām problēmām, piemēram, izejvielu ieguves ietekmi uz vidi un ražošanas sastrēgumiem, taču galu galā tā ir strauji augoša, inovatīva un daudzsološa nozare.
Ar pareizo tehnoloģiju sasniegumu un ilgtspējīgas prakses līdzsvaru saules enerģijas izaugsme un attīstība pavērs ceļu tīrākai, bagātākai enerģijas nākotnei. Šī iemesla dēļ tas uzrādīs ievērojamu pieaugumu ASV enerģijas sadalījumā, un ir sagaidāms, ka tas kļūs par globālu ilgtspējīgu risinājumu.