- Компоненты фотоэлемента
- Как солнечная энергия интегрирована в электросеть
- Решения для высоких уровней солнечной энергии
< ПРЕДЫДУЩАЯ: Солнечный ресурс | ДАЛЕЕ: Солнечные батареи на крыше >
Это идея, которая существует уже более века.
В 1839 году французский ученый Эдмонд Беккерель обнаружил, что некоторые материалы испускают искры электричества при попадании на них солнечного света. Вскоре исследователи обнаружили, что это свойство, называемое фотоэлектрическим эффектом , можно использовать; первые фотоэлектрические (PV) элементы, сделанные из селена, были созданы в конце 1800-х годов. В 1950-х годах ученые из Bell Labs пересмотрели эту технологию и, используя кремний, создали фотоэлементы, которые могли преобразовывать четыре процента энергии солнечного света непосредственно в электричество.
Компоненты фотоэлемента
Фото: pedrosala / Shutterstock
Наиболее важными компонентами фотоэлемента являются два слоя полупроводникового материала, обычно состоящие из кристаллов кремния. Сам по себе кристаллизованный кремний не очень хороший проводник электричества, но когда примеси намеренно добавляются - процесс, называемый легированием, - устанавливается стадия для создания электрического тока.
Нижний слой фотоэлемента обычно легирован бором, который связывается с кремнием, чтобы облегчить положительный заряд (P), в то время как верхний слой легирован фосфором, который связывается с кремнием, чтобы облегчить отрицательный заряд (N).
Поверхность между результирующими полупроводниками p-типа и n-типа называется PN-переходом (см. Схему ниже). Движение электронов на этой поверхности создает электрическое поле, которое позволяет электронам течь только из слоя p-типа в слой n-типа.
Когда солнечный свет проникает в клетку, его энергия выбивает электроны из обоих слоев. Из-за противоположных зарядов слоев электроны хотят течь из слоя n-типа в слой p-типа. Но электрическое поле в PN-переходе предотвращает это.
Однако наличие внешней цепи обеспечивает необходимый путь для прохождения электронов в слое n-типа к слою р-типа. Электроны, протекающие по этой цепи - обычно тонкие провода, идущие вдоль верхней части слоя n-типа, - обеспечивают владельца клетки источником электричества.
Большинство фотоэлектрических систем основаны на отдельных квадратных ячейках на несколько дюймов сбоку. В одиночку каждая ячейка генерирует очень мало энергии (несколько ватт), поэтому они сгруппированы в виде модулей или панелей . Затем панели либо используются как отдельные элементы, либо группируются в более крупные массивы .
Существует три основных типа солнечных элементов:
- Монокристаллические ячейки выполнены в длинных цилиндрах и нарезаны на тонкие пластины. Хотя этот процесс является энергоемким и использует больше материалов, он производит элементы с наивысшей эффективностью, которые способны преобразовывать большую часть поступающего солнечного света в электричество. Модули, сделанные из монокристаллических ячеек, могут иметь эффективность до 23 процентов в некоторых лабораторных испытаниях. Монокристаллы составляют чуть более трети мирового рынка фотоэлектрических систем [ 1 ].
- Поликристаллические ячейки изготовлены из расплавленного кремния, отлитого в слитки, а затем нарезаны на квадраты. В то время как производственные затраты ниже, эффективность ячеек также ниже - с максимальной эффективностью модуля, близкой к 20 процентам. Поликристаллические элементы составляют около половины мирового рынка фотоэлектрических систем [ 2 ].
- Тонкопленочные элементы включают в себя распыление или нанесение материалов (аморфный кремний, теллурид кадмия или другие) на тонкие пленки на стеклянные или металлические поверхности, делая весь модуль за один раз вместо сборки отдельных элементов. Такой подход приводит к снижению эффективности, но может быть дешевле. Тонкопленочные элементы составляют около десяти процентов мирового рынка фотоэлектрических систем [ 3 ].
Исторически сложилось, что большинство фотоэлектрических панелей использовались для автономных целей, для питания домов в отдаленных местах, вышек сотовой связи, дорожных знаков и водяных насосов. В последние годы, однако, солнечная энергия значительно увеличилась в Соединенных Штатах и других странах для применений, где электроэнергия подается в электрическую сеть. Такие приложения PV, связанные с сетью, в настоящее время составляют более 99 процентов мирового рынка солнечной энергии [ 4 ].
Как солнечная энергия интегрирована в электросеть
Фото: zhangyang13576997233 / Shutterstock
Переход на электрическую систему с большим количеством солнечной энергии дает много преимуществ. Диапазон технологий, включая небольшие распределенные солнечные (в основном системы на крыше) и крупномасштабные фотоэлектрические системы, дает владельцам домов, предприятиям и коммунальным службам различные преимущества.
Электроэнергия, вырабатываемая солнечными панелями на крыше, в первую очередь обеспечивает потребности на месте, а сеть обеспечивает дополнительное электричество по мере необходимости. Когда дом или бизнес генерирует больше электричества, чем потребляет, электричество подается обратно в сеть.
Одно из самых больших преимуществ, которые солнечная крыша обеспечивает сеть тем, что она часто производит электричество, когда и где эта энергия является наиболее ценной. Например, во многих регионах спрос на электроэнергию достигает максимума во второй половине дня в жаркие солнечные дни, когда интенсивно используется кондиционер и когда солнечная энергия на крыше сильно работает. Таким образом, такие системы помогают коммунальным предприятиям удовлетворять пиковый спрос без сжигания редко используемых электростанций, которые являются дорогими и более загрязняющими, чем большинство других вариантов [ 5 ].
Системы на крыше также снижают нагрузку на оборудование для распределения и передачи электроэнергии, позволяя домам и предприятиям сначала получать электроэнергию на месте, а не полагаться полностью на электросеть. Преимущества двояки: использование электроэнергии на месте позволяет избежать неэффективности транспортировки электроэнергии на большие расстояния, а системы на месте потенциально позволяют коммунальному предприятию отложить дорогостоящие обновления своей инфраструктуры [ 6 ].
Крупномасштабные солнечные системы В отличие от солнечных батарей на крыше, они подают электроэнергию непосредственно в высоковольтную электросеть и, таким образом, имеют некоторые сходства с централизованными электростанциями, вокруг которых развивалась электрическая система США.
Крупномасштабные фотоэлектрические системы, такие как системы на крыше, имеют преимущество, заключающееся в том, что они часто работают с максимальной производительностью, когда спрос также самый большой. Кроме того, модульная природа фотоэлектрических технологий помогает сделать фотоэлектрические системы более устойчив к экстремальным погодным условиям чем традиционные электростанции, которые они заменяют. Крупные угольные, природные газы и атомные станции подвержены каскадным сбоям, когда часть системы повреждена. С крупномасштабной PV, даже если часть солнечного проекта повреждена, большая часть системы, вероятно, продолжит работать.
И хотя масштабные солнечные системы зависят от линий электропередачи, которые могут пострадать от экстремальных погодных условий, сами проекты часто возвращаются в строй вскоре после событий.
Решения для высоких уровней солнечной энергии
Желательно достичь высокого уровня использования фотоэлектрических систем, учитывая все преимущества, которые предлагает солнечная энергия, но это также создает проблемы. Однако эти проблемы не являются непреодолимыми; Обновление технологий и обновление информации о том, как покупать и продавать электроэнергию, может помочь сделать возможным повышение уровня проникновения солнечной энергии.
Одна из проблем, связанных с солнечной энергией на крыше, заключается в том, что передача электроэнергии потребителям, а не им, является относительно новой ситуацией для коммунальных служб. Окрестности, где во многих домах используется солнечная энергия, могут приблизиться к точке, в которой системы на крыше могут производить больше, чем окрестности могут использовать в течение дня. Тем не менее, «фидерные» линии, обслуживающие такие районы, клиенты могут быть не готовы обрабатывать потоки электроэнергии в обратном направлении.
Крупномасштабные фотоэлектрические проекты сталкиваются с собственными проблемами в том, что они могут быть расположены далеко от городских центров, часто требуя линий электропередачи для доставки электричества туда, где оно будет фактически использоваться. Это требует инвестиций в строительство самих линий и приводит к «потерям в линиях», поскольку часть энергии преобразуется в тепло и теряется.
Изменчивость солнечной генерации, связанная с PV в обоих масштабах, представляет новые проблемы, потому что операторы энергосистем не могут управлять выходом этих систем с помощью переключателя, как они могут на многих невозобновляемых электростанциях. Количество выработки от фотоэлектрических систем зависит от количества солнечного света в любой момент времени. Когда облака блокируют солнце, генерация солнечной батареи может внезапно упасть.
И наоборот, в особенно солнечные дни с большим количеством солнечной энергии в сети, если мощность электростанций на невозобновляемой энергии не уменьшается, чтобы обеспечить выработку солнечной энергии, поставки электроэнергии могут превышать спрос. Обе ситуации могут привести к нестабильности в сети.
Но проблемы, связанные с добавлением большего количества PV в сетку, в высшей степени решаемы. Исправления проблем с передачей и фидером в основном экономические, а не технические. И проблемы изменчивости хорошо поняты отчасти потому, что операторы сетки уже справляются с колебаниями, вызванными постоянно меняющимся спросом на электроэнергию и сокращением поставок электроэнергии, когда неожиданно выходят из строя крупные электростанции или линии электропередач.
Большая часть изменчивости, присущей солнечной генерации, также предсказуема и управляема, и может быть обработана несколькими способами, включая:
- Использование более совершенных инструментов прогнозирования для более точных прогнозов того, когда солнечная генерация может уменьшиться
- Установка солнечной энергии на большой географической территории, чтобы минимизировать влияние изменчивости генерации из-за локального облачного покрова
- Сдвиг электроснабжения и накопление избыточной энергии для последующего использования
- Изменение спроса на электроэнергию путем поощрения потребителей использовать электроэнергию, когда она становится более доступной
- Сотрудничество с соседними регионами для расширения возможностей импорта / экспорта электроэнергии и совместного использования ресурсов
В целом, возобновляемые источники энергии, в том числе солнечные, помогают стабилизировать и сделать энергосистему США более устойчивой как в экономическом, так и в экологическом отношении.
< ПРЕДЫДУЩАЯ: Солнечный ресурс | ДАЛЕЕ: Солнечные батареи на крыше >
Рекомендации:
[1, 2, 3] Институт Фраунгофера. 2015. Фотоэлектрический отчет ,
[4] Международное энергетическое агентство (МЭА). 2014. Технологическая дорожная карта: концентрация солнечной энергии , Париж, Франция.
[5] Бургер, Б. 2011. Солнечные электростанции обеспечивают пиковую нагрузку. Фрайбург, Германия: Институт солнечных систем Фраунгофера ISE ,
[6, 7] Берд Л., Дж. Макларен, Дж. Хитер, К. Линвилл, Дж. Шено, Р. Седано и Дж. Мигден-Острандер. 2013. Нормативные соображения, связанные с расширением принятия распределенных солнечных , Golden, CO: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии.