Solceller
Fotovoltaik ( PV ) är omvandlingen av ljus till elektricitet med hjälp av halvledande material som uppvisar den fotovoltaiska effekten , ett fenomen som studeras inom fysik , fotokemi och elektrokemi . Den fotovoltaiska effekten används kommersiellt för elproduktion och som fotosensorer .
Ett fotovoltaiskt system använder solcellsmoduler , som var och en består av ett antal solceller , som genererar elektrisk kraft. PV-installationer kan vara markmonterade, takmonterade, väggmonterade eller flytande. Fästet kan fixas eller använda en solspårare för att följa solen över himlen.
Solcellsteknik hjälper till att mildra klimatförändringarna eftersom den släpper ut mycket mindre koldioxid än fossila bränslen . Solar PV har specifika fördelar som energikälla: när den väl installerats genererar dess drift inga föroreningar och inga utsläpp av växthusgaser , den visar skalbarhet i förhållande till energibehov och kisel har stor tillgänglighet i jordskorpan, även om andra material som krävs vid tillverkning av PV-system såsom silver kan begränsa ytterligare tillväxt inom tekniken. Andra viktiga begränsningar som identifierats är konkurrensen om markanvändning. Användningen av PV som huvudkälla kräver energilagringssystem eller global distribution via högspänningslikströmsledningar som orsakar extra kostnader, och har även ett antal andra specifika nackdelar som variabel kraftproduktion som måste balanseras. Produktion och installation orsakar viss förorening och utsläpp av växthusgaser , även om endast en bråkdel av utsläppen orsakas av fossila bränslen.
Solceller har länge använts i specialiserade applikationer eftersom fristående installationer och nätanslutna solcellssystem har använts sedan 1990-talet. Solcellsmoduler massproducerades först år 2000, när den tyska regeringen finansierade ett hundra tusen takprogram. Minskade kostnader har gjort det möjligt för PV att växa som energikälla. Detta har delvis drivits av massiva kinesiska statliga investeringar i att utveckla solenergiproduktionskapacitet sedan 2000, och uppnå stordriftsfördelar . Förbättringar av tillverkningsteknik och effektivitet har också lett till minskade kostnader. Nettomätning och ekonomiska incitament, såsom förmånliga inmatningstariffer för solelgenererad el, har stött solcellsinstallationer i många länder. Panelpriserna sjönk med en faktor 4 mellan 2004 och 2011. Modulpriserna sjönk med cirka 90 % under 2010-talet.
Under 2019 ökade den globala installerade PV-kapaciteten till mer än 635 gigawatt (GW) vilket täcker cirka två procent av den globala efterfrågan på el . Efter vatten- och vindkrafter är PV den tredje förnybara energikällan sett till global kapacitet. Under 2019 förväntade International Energy Agency en tillväxt med 700–880 GW från 2019 till 2024. I vissa fall har PV erbjudit den billigaste källan för elkraft i regioner med hög solpotential, med ett bud på så lågt pris som 0,01567 US $/ kWh i Qatar 2020. År 2020 uttalade International Energy Agency i sin World Energy Outlook att "[för projekt med låg kostnadsfinansiering som utnyttjar högkvalitativa resurser, är solceller nu den billigaste elkällan i historien.
Etymologi
Termen "fotovoltaisk" kommer från grekiskan φῶς ( phōs ) som betyder "ljus", och från "volt", enheten för elektromotorisk kraft, volten , som i sin tur kommer från efternamnet på den italienske fysikern Alessandro Volta , uppfinnare av batteriet ( elektrokemisk cell ). Termen "fotovoltaisk" har använts på engelska sedan 1849.
Historia
George Cove kan ha uppfunnit en solcellspanel 1909, ungefär 40 år innan Bell Labs gjorde det 1950. 1989 initierade det tyska forskningsministeriet det första programmet någonsin för att finansiera solcellstak (2200 tak). Ett program som leds av Walter Sandtner i Bonn, Tyskland.
1994 följde Japan i deras fotspår och genomförde ett liknande program med 539 installerade solcellssystem för bostäder. Sedan dess har många länder fortsatt att producera och finansiera solcellssystem i en exponentiell hastighet.
Solceller
Solceller är mest känd som en metod för att generera elektrisk kraft genom att använda solceller för att omvandla energi från solen till ett flöde av elektroner genom den fotovoltaiska effekten .
Solceller producerar likström från solljus som kan användas för att driva utrustning eller för att ladda batterier . Den första praktiska tillämpningen av solceller var att driva satelliter och andra rymdfarkoster som kretsar runt, men idag används majoriteten av solcellsmodulerna för nätanslutna system för kraftgenerering. I detta fall krävs en växelriktare för att omvandla DC till AC . Det finns fortfarande en mindre marknad för fristående system för avlägsna bostäder, båtar , fritidsfordon , elbilar , nödtelefoner vid vägkanten, fjärranalys och katodiskt skydd av rörledningar .
Fotovoltaisk kraftgenerering använder solcellsmoduler som består av ett antal solceller som innehåller ett halvledarmaterial. Kopparsolkablar ansluter moduler (modulkabel), arrayer (arraykabel) och underfält. På grund av den växande efterfrågan på förnybara energikällor har tillverkningen av solceller och solcellspaneler gått framåt avsevärt de senaste åren.
Celler kräver skydd från omgivningen och är vanligtvis tätt förpackade i solcellsmoduler.
Fotovoltaisk moduleffekt mäts under standardtestförhållanden (STC) i "W p " ( watt topp) . Den faktiska uteffekten på en viss plats kan vara mindre än eller större än detta nominella värde, beroende på geografisk plats, tid på dygnet, väderförhållanden och andra faktorer. Solcellers kapacitetsfaktorer är vanligtvis under 25 %, vilket är lägre än många andra industriella elkällor.
Solcellseffektivitet
Solcellseffektivitet avser den del av energin i form av solljus som kan omvandlas via solceller till elektricitet av solcellen .
Effektiviteten hos solcellerna som används i ett solcellssystem , i kombination med latitud och klimat, avgör systemets årliga energiproduktion. Till exempel kommer en solpanel med 20 % verkningsgrad och en yta på 1 m 2 att producera 200 kWh/år vid standardtestförhållanden om den utsätts för standardtestvillkorens solinstrålningsvärde på 1000 W/m 2 under 2,74 timmar om dagen. Vanligtvis utsätts solpaneler för solljus längre än så under en viss dag, men solinstrålningen är mindre än 1000 W/m 2 under större delen av dagen. En solpanel kan producera mer när solen står högt på himlen och kommer att producera mindre i molniga förhållanden eller när solen står lågt på himlen, vanligtvis står solen lägre på himlen på vintern.
Två platsberoende faktorer som påverkar solenergieffektiviteten är solstrålningens spridning och intensitet. Dessa två variabler kan variera mycket mellan varje land. De globala regioner som har höga strålningsnivåer under hela året är Mellanöstern, norra Chile, Australien, Kina och sydvästra USA. I ett högavkastande solområde som centrala Colorado, som får en årlig solinstrålning på 2000 kWh/m 2 /år, kan en panel förväntas producera 400 kWh energi per år. Men i Michigan, som bara tar emot 1400 kWh/m 2 /år, kommer den årliga energiutbytet att sjunka till 280 kWh för samma panel. På mer nordeuropeiska breddgrader är avkastningen betydligt lägre: 175 kWh årlig energiutbyte i södra England under samma förhållanden.
Prestanda och försämring
Modulens prestanda bedöms i allmänhet under standardtestförhållanden (STC): irradians på 1 000 W/m 2 , solspektrum på AM 1,5 och modultemperatur vid 25 °C . Den faktiska spänningen och strömutgången från modulen ändras när belysning, temperatur och belastningsförhållanden ändras, så det finns aldrig en specifik spänning som modulen arbetar med. Prestanda varierar beroende på geografisk plats, tid på dagen, dag på året, mängden solinstrålning , modulernas riktning och lutning, molntäcke, skuggning, nedsmutsning , laddningstillstånd och temperatur. En moduls eller panels prestanda kan mätas vid olika tidsintervall med en DC-tångmätare eller shunt och loggas, plottas eller kartläggas med en sjökortsskrivare eller datalogger.
För optimal prestanda måste en solpanel vara gjord av liknande moduler orienterade i samma riktning vinkelrätt mot direkt solljus. Bypass-dioder används för att kringgå trasiga eller skuggade paneler och optimera uteffekten. Dessa bypass-dioder är vanligtvis placerade längs grupper av solceller för att skapa ett kontinuerligt flöde.
Elektriska egenskaper inkluderar nominell effekt (P MAX , mätt i W ), öppen spänning (V OC ), kortslutningsström ( ISC , mätt i ampere ), maximal effektspänning (V MPP ), maximal effektström (I MPP ). ), toppeffekt ( watt-topp , Wp ) och moduleffektivitet (%).
Öppen spänning eller V OC är den maximala spänning som modulen kan producera när den inte är ansluten till en elektrisk krets eller system. V OC kan mätas med en voltmeter direkt på en belyst moduls plintar eller på dess frånkopplade kabel.
Toppeffekten, Wp , är den maximala uteffekten under standardtestförhållanden (inte den maximalt möjliga effekten). Typiska moduler, som kan mäta cirka 1 gånger 2 meter (3 fot × 7 fot), kommer att klassas från så lågt som 75 W till så högt som 600 W, beroende på deras effektivitet. Vid testtillfället lagras testmodulerna enligt deras testresultat, och en typisk tillverkare kan betygsätta sina moduler i steg om 5 W, och antingen betygsätta dem till +/- 3%, +/-5%, +3/ -0 % eller +5/-0 %.
Temperaturens inverkan
Prestandan hos en solcellsmodul (PV) beror på miljöförhållandena, främst på den globala infallande bestrålningen G i modulens plan. Temperaturen T för p–n-övergången påverkar dock också de elektriska huvudparametrarna: kortslutningsströmmen ISC, tomgångsspänningen VOC och den maximala effekten Pmax. Generellt sett är det känt att VOC visar en signifikant omvänd korrelation med T, medan för ISC är denna korrelation direkt, men svagare, så att denna ökning inte kompenserar för minskningen av VOC. Som en konsekvens minskar Pmax när T ökar. Denna korrelation mellan uteffekten från en solcell och arbetstemperaturen för dess korsning beror på halvledarmaterialet och beror på påverkan av T på koncentrationen, livslängden och rörligheten hos de inneboende bärarna, dvs elektroner och gap. inuti solcellscellen.
Temperaturkänslighet beskrivs vanligtvis av temperaturkoefficienter, som var och en uttrycker derivatan av parametern som den refererar till med avseende på korsningstemperaturen. Värdena för dessa parametrar, som kan hittas i alla datablad för solcellsmodulen, är följande:
- β: VOC-variationskoefficient med avseende på T, given av ∂VOC/∂T.
- α: Variationskoefficient för ISC med avseende på T, given av ∂ISC/∂T.
- δ: Variationskoefficient för Pmax med avseende på T, given av ∂Pmax/∂T.
Tekniker för att uppskatta dessa koefficienter från experimentella data finns i litteraturen
Degradering
Förmågan hos solcellsmoduler att motstå skador från regn, hagel , kraftig snöbelastning och cykler av värme och kyla varierar beroende på tillverkare, även om de flesta solpaneler på den amerikanska marknaden är UL-listade, vilket betyder att de har gått igenom tester för att motstå hagel.
Potentiellinducerad degradering (även kallad PID) är en potentialinducerad prestandaförsämring i kristallina solcellsmoduler, orsakad av så kallade ströströmmar. Denna effekt kan orsaka strömavbrott på upp till 30 %.
Den största utmaningen för solcellstekniken är inköpspriset per watt producerad el. Framsteg inom fotovoltaisk teknik har åstadkommit processen att "dopa" kiselsubstratet för att sänka aktiveringsenergin och därigenom göra panelen mer effektiv när det gäller att omvandla fotoner till återvinningsbara elektroner.
Kemikalier såsom bor (p-typ) appliceras i halvledarkristallen för att skapa donator- och acceptorenerginivåer väsentligt närmare valens- och ledarbanden. Genom att göra så tillåter tillsatsen av bororenhet att aktiveringsenergin minskar tjugofaldigt från 1,12 eV till 0,05 eV. Eftersom potentialskillnaden (EB ) är så låg kan boren termiskt jonas vid rumstemperatur. Detta möjliggör fria energibärare i lednings- och valensbanden och tillåter därmed större omvandling av fotoner till elektroner.
Effekten från en fotovoltaisk (PV) enhet minskar med tiden. Denna minskning beror på dess exponering för solstrålning såväl som andra yttre förhållanden. Nedbrytningsindexet, som definieras som den årliga procentandelen av effektförlusten, är en nyckelfaktor för att bestämma den långsiktiga produktionen av en solcellsanläggning. För att uppskatta denna försämring, procentandelen av minskningen associerad med var och en av de elektriska parametrarna. Den individuella nedbrytningen av en solcellsmodul kan avsevärt påverka prestandan hos en komplett sträng. Dessutom minskar inte alla moduler i samma installation sin prestanda i exakt samma takt. Med tanke på en uppsättning moduler som utsätts för långvariga utomhusförhållanden måste den individuella försämringen av de elektriska huvudparametrarna och ökningen av deras spridning beaktas. Eftersom varje modul tenderar att försämras på olika sätt, kommer modulernas beteende att bli allt mer olika över tiden, vilket negativt påverkar anläggningens totala prestanda.
Det finns flera studier som handlar om effektnedbrytningsanalys av moduler baserade på olika solcellstekniker tillgängliga i litteraturen. Enligt en nyligen genomförd studie är nedbrytningen av kristallina kiselmoduler mycket regelbunden och svänger mellan 0,8 % och 1,0 % per år.
Å andra sidan, om vi analyserar prestandan hos tunnfilms solcellsmoduler, observeras en initial period av kraftig nedbrytning (som kan vara flera månader och upp till två år), följt av ett senare skede där nedbrytningen stabiliseras, dvs. då jämförbar med den för kristallint kisel. Starka säsongsvariationer observeras också i sådana tunnfilmsteknologier eftersom inverkan av solspektrumet är mycket större. Till exempel, för moduler av amorft kisel, mikromorft kisel eller kadmiumtellurid, talar vi om årliga nedbrytningshastigheter för de första åren på mellan 3 % och 4 %. Men andra tekniker, såsom CIGS, visar mycket lägre nedbrytningshastigheter, även under dessa tidiga år.
Tillverkning av PV-system
Sammantaget är tillverkningsprocessen för att skapa solceller enkel eftersom den inte kräver kulmen av många komplexa eller rörliga delar. På grund av solcellsanläggningarnas solid-state natur har de ofta relativt lång livslängd, allt från 10 till 30 år. För att öka den elektriska effekten av ett PV-system måste tillverkaren helt enkelt lägga till fler solcellskomponenter. På grund av detta är stordriftsfördelar viktiga för tillverkarna eftersom kostnaderna minskar med ökande produktion.
Även om det finns många typer av PV-system kända för att vara effektiva, stod kristallint kisel PV för cirka 90 % av den globala produktionen av PV 2013. Tillverkning av kisel PV-system har flera steg. Först bearbetas polykisel från bruten kvarts tills det är mycket rent (halvledarkvalitet). Detta smälts ner när små mängder bor , ett grupp III-element, tillsätts för att göra en halvledare av p-typ rik på elektronhål. Typiskt med användning av en ympkristall, odlas ett göt av denna lösning från den flytande polykristallina. Götet kan också gjutas i en form. Wafers av detta halvledarmaterial skärs från bulkmaterialet med trådsågar och går sedan igenom ytetsning innan de rengörs. Därefter placeras skivorna i en fosforångavsättningsugn som lägger ett mycket tunt skikt av fosfor, ett grupp V-element, som skapar en halvledande yta av n-typ. För att minska energiförlusterna läggs en antireflekterande beläggning på ytan tillsammans med elektriska kontakter. Efter slutbehandling av cellen ansluts cellerna via en elektrisk krets enligt den specifika applikationen och förbereds för transport och installation.
Miljökostnader för tillverkning
Solcellsenergi är inte helt "ren energi": produktion producerar utsläpp av växthusgaser, material som används för att bygga cellerna är potentiellt ohållbara och kommer att ta slut så småningom, tekniken använder giftiga ämnen som orsakar föroreningar, och det finns inga hållbara tekniker för återvinning av solenergi. avfall. Data som krävs för att undersöka deras inverkan påverkas ibland av en ganska stor mängd osäkerhet. Värdena av mänskligt arbete och vattenförbrukning är till exempel inte exakt bedömda på grund av bristen på systematiska och noggranna analyser i den vetenskapliga litteraturen. En svårighet att bestämma effekter på grund av PV är att avgöra om avfallet släpps ut i luften, vattnet eller marken under tillverkningsfasen. Livscykelbedömningar , som tittar på alla olika miljöpåverkan, från global uppvärmningspotential , föroreningar, vattenutarmning och andra, är inte tillgängliga för PV. Istället har studier försökt uppskatta effekterna och potentiella effekterna av olika typer av solceller, men dessa uppskattningar är vanligtvis begränsade till att helt enkelt bedöma energikostnaderna för tillverkning och/eller transport, eftersom dessa är ny teknik och den totala miljöpåverkan av deras komponenter. och bortskaffande metoder är okända, även för kommersiellt tillgängliga första generationens solceller, än mindre experimentella prototyper utan kommersiell livskraft.
Således har uppskattningar av miljöpåverkan från PV fokuserat på koldioxidekvivalenter per kWh eller energiåterbetalningstid (EPBT). EPBT beskriver den tidsrymd som ett solcellssystem behöver för att fungera för att generera samma mängd energi som användes för dess tillverkning. En annan studie inkluderar transportenergikostnader i EPBT. EPBT har också definierats helt annorlunda som "den tid som behövs för att kompensera för den totala förnybara och icke-förnybara primärenergin som krävs under livscykeln för ett PV-system" i en annan studie, som också inkluderade installationskostnader. , angiven i år, kallas även break-even energiåterbetalningstid . Ju lägre EPBT, desto lägre miljökostnad för solenergi. EPBT beror i hög grad på platsen där solcellssystemet är installerat (t.ex. mängden tillgängligt solljus och effektiviteten hos elnätet) och på typen av system, nämligen systemets komponenter.
En granskning från 2015 av EPBT-uppskattningar av första och andra generationens PV antydde att det fanns större variation i inbäddad energi än i effektiviteten hos cellerna, vilket antyder att det främst var den inbäddade energin som måste minska för att få en större minskning av EPBT.
Generellt sett är den viktigaste komponenten i solpaneler, som står för mycket av energianvändningen och utsläppen av växthusgaser, raffineringen av polykiseln. Hur mycket procentandel av EPBT detta kisel beror på typen av system. Ett helt autarkiskt system kräver ytterligare komponenter ('Balance of System', strömriktarna , lagring, etc.) som avsevärt ökar energikostnaden för tillverkningen, men i ett enkelt taksystem kommer cirka 90 % av energikostnaden från kisel, medan resten kommer från växelriktarna och modulramen.
I en analys av Alsema et al . från 1998 var energiåterbetalningstiden högre än 10 år för det tidigare systemet 1997, medan EPBT för ett standard taksystem beräknades till mellan 3,5 till 8 år.
EPBT har nära anknytning till begreppen nettoenergivinst (NEG) och energiåterbäring på investerad energi (EROI). De används båda inom energiekonomin och hänvisar till skillnaden mellan energin som går åt för att skörda en energikälla och mängden energi som erhålls från den skörden. NEG och EROI tar också hänsyn till ett PV-systems livslängd och en livslängd på 25 till 30 år antas vanligtvis. Från dessa mätvärden energiåterbetalningstiden härledas genom beräkning.
EPBT-förbättringar
PV-system som använder kristallint kisel, överlägset de flesta av systemen i praktisk användning, har en så hög EPBT eftersom kisel produceras genom reduktion av högkvalitativ kvartssand i elektriska ugnar . Denna kokseldade smältprocess sker vid höga temperaturer på mer än 1000 °C och är mycket energikrävande och använder cirka 11 kilowattimmar (kWh) per producerat kilogram kisel. Energikraven för denna process gör energikostnaden per producerad enhet kisel relativt oelastisk, vilket gör att själva produktionsprocessen inte kommer att bli mer effektiv i framtiden.
Ändå har energiåterbetalningstiden förkortats avsevärt under de senaste åren, eftersom kristallina kiselceller blivit allt effektivare för att omvandla solljus, samtidigt som tjockleken på wafermaterialet hela tiden minskade och därför krävde mindre kisel för tillverkningen. Under de senaste tio åren har mängden kisel som används för solceller minskat från 16 till 6 gram per watt-topp . Under samma period reducerades tjockleken på en c-Si-skiva från 300 μm, eller mikron , till cirka 160–190 μm. Sågningsteknikerna som skär kristallint kiselgöt i wafers har också förbättrats genom att minska skärförlusten och göra det lättare att återvinna kiselsågspånet .
| Parameter | Mono-Si | CdTe |
|---|---|---|
| Celleffektivitet | 16,5 % | 15,6 % |
| Sänk effektiviteten från cell till modul | 8,5 % | 13,9 % |
| Moduleffektivitet | 15,1 % | 13,4 % |
| Wafertjocklek / lagertjocklek | 190 μm | 4,0 μm |
| Kerf förlust | 190 μm | – |
| Silver per cell | 9,6 g/m 2 | – |
| Glastjocklek | 4,0 mm | 3,5 mm |
| Driftstid | 30 år | 30 år |
| Källa: IEA-PVPS , Life Cycle Assessment, mars 2015 | ||
Påverkan från första generationens PV
Kristallina kiselmoduler är den mest omfattande studerade PV-typen när det gäller LCA eftersom de är de mest använda. Monokristallina kisel solcellssystem (mono-si) har en genomsnittlig verkningsgrad på 14,0 %. Cellerna tenderar att följa en struktur av främre elektrod, antireflektionsfilm, n-skikt, p-skikt och bakre elektrod, med solen som träffar den främre elektroden. EPBT sträcker sig från 1,7 till 2,7 år. Vagga till grind av CO 2 -eq/kWh varierar från 37,3 till 72,2 gram när den installeras i södra Europa.
Tekniker för att producera multikristallina kiselceller (multi-si) fotovoltaiska celler är enklare och billigare än mono-si, men tenderar att göra mindre effektiva celler, i genomsnitt 13,2%. EPBT sträcker sig från 1,5 till 2,6 år. Vagga till grind av CO 2 -eq/kWh varierar från 28,5 till 69 gram när den installeras i södra Europa.
Om man antar att följande länder hade en högkvalitativ nätinfrastruktur som i Europa, beräknades det 2020 att det skulle ta 1,28 år i Ottawa , Kanada, för ett solcellssystem på taket att producera samma mängd energi som krävs för att tillverka kisel i modulerna i den (exklusive silver, glas, fästen och andra komponenter), 0,97 år i Catania , Italien , och 0,4 år i Jaipur , Indien. Utanför Europa, där näteffektiviteten är lägre, skulle det ta längre tid. Denna " energiåterbetalningstid " kan ses som den del av tiden under modulens användbara livslängd där energiproduktionen förorenar. I bästa fall betyder det att en 30 år gammal panel har producerat ren energi under 97 % av sin livstid, eller att kislet i modulerna i en solpanel ger 97 % mindre utsläpp av växthusgaser än en koleldad anläggning för densamma. energimängd (antar och ignorerar många saker). Vissa studier har tittat bortom EPBT och GWP till andra miljöpåverkan. I en sådan studie jämfördes konventionell energimix i Grekland med multi-si PV och fann en 95 % total minskning av effekterna inklusive cancerframkallande ämnen, ekotoxicitet, försurning, övergödning och elva andra.
Påverkan från andra generationens PV
Kadmiumtellurid (CdTe) är en av de snabbast växande tunnfilmsbaserade solcellerna som är gemensamt kända som andra generationens enheter. Denna nya tunnfilmsenhet delar också liknande prestandabegränsningar ( Shockley-Queisser effektivitetsgräns ) som konventionella Si-enheter men lovar att sänka kostnaden för varje enhet genom att både minska material- och energiförbrukningen under tillverkningen. Den globala marknadsandelen för CdTe var 4,7 % 2008. Denna tekniks högsta effektkonverteringseffektivitet är 21 %. Cellstrukturen inkluderar glassubstrat (cirka 2 mm), transparent ledarskikt, CdS-buffertskikt (50–150 nm), CdTe-absorbent och ett metallkontaktskikt.
CdTe PV-system kräver mindre energiinsats i sin produktion än andra kommersiella PV-system per enhet elproduktion. Den genomsnittliga CO 2 -eq/kWh är cirka 18 gram (vagga till grind). CdTe har den snabbaste EPBT av alla kommersiella PV-tekniker, som varierar mellan 0,3 och 1,2 år.
Effekter från tredje generationens PV
Tredje generationens PV-apparater är designade för att kombinera fördelarna med både första och andra generationens enheter och de har ingen Shockley-Queisser-gräns , en teoretisk gräns för första och andra generationens PV-celler. Tjockleken på en tredje generationens enhet är mindre än 1 μm.
Två nya lovande tunnfilmsteknologier är kopparzink-tennsulfid (Cu 2 ZnSnS 4 eller CZTS), zinkfosfid (Zn 3 P 2 ) och enkelväggiga kolnano-rör (SWCNT). Dessa tunna filmer produceras för närvarande endast i labbet men kan komma att kommersialiseras i framtiden. Tillverkningen av CZTS- och (Zn 3 P 2 )-processer förväntas likna de nuvarande tunnfilmsteknologierna för CIGS respektive CdTe. Medan absorbatorskiktet av SWCNT PV förväntas syntetiseras med CoMoCAT-metoden. av I motsats till etablerade tunna filmer som CIGS och CdTe, är CZTS, Zn 3 P 2 och SWCNT PV:er gjorda av jordnära, giftfria material och har potential att producera mer el årligen än den nuvarande globala förbrukningen. Även om CZTS och Zn 3 P 2 lovar gott av dessa skäl, är de specifika miljökonsekvenserna av deras kommersiella produktion ännu inte kända. Global uppvärmningspotential för CZTS och Zn 3 P 2 hittades 38 och 30 gram CO 2 -eq/kWh medan deras motsvarande EPBT hittades 1,85 respektive 0,78 år. Sammantaget har CdTe och Zn 3 P 2 liknande miljöpåverkan men kan överträffa CIGS och CZTS något. En studie om miljöpåverkan av SWCNT PVs av Celik et al., inklusive en befintlig 1 % effektiv enhet och en teoretisk 28 % effektiv enhet, fann att, jämfört med monokristallint Si, var miljöpåverkan från 1 % SWCNT ~18 gånger högre på grund av huvudsakligen till den korta livslängden på tre år.
Ekonomi
Källa: Apricus |
Det har skett stora förändringar i de underliggande kostnaderna, industristrukturen och marknadspriserna för solcellsteknik under åren, och det är en utmaning att få en sammanhängande bild av de förändringar som sker i branschens värdekedja globalt. Detta beror på: "snabbheten av kostnads- och prisförändringar, komplexiteten i PV-försörjningskedjan, som involverar ett stort antal tillverkningsprocesser, balansen mellan system (BOS) och installationskostnader förknippade med kompletta PV-system, valet av olika distributionskanaler och skillnader mellan regionala marknader inom vilka PV används". Ytterligare komplexitet är resultatet av de många olika politiska stödinitiativ som har införts för att underlätta kommersialisering av solceller i olika länder.
Teknik för förnybar energi har i allmänhet blivit billigare sedan de uppfanns. Förnybara energisystem har blivit billigare att bygga än kraftverk med fossila bränslen över stora delar av världen, tack vare framstegen inom vind- och solenergiteknik, i synnerhet.
Hårdvarukostnader
1977 låg priserna på kristallint kisel på 76,67 USD/W.
Även om priserna på grossistmoduler förblev oförändrade runt 3,50 till 4,00 USD/W i början av 2000-talet på grund av stor efterfrågan i Tyskland och Spanien tack vare generösa subventioner och brist på polykisel, kraschade efterfrågan med det abrupta upphörandet av spanska subventioner efter marknadskraschen 2008, och priset sjönk snabbt till $2,00/W. Tillverkarna kunde upprätthålla en positiv rörelsemarginal trots en 50-procentig intäktsminskning på grund av innovation och sänkta kostnader. I slutet av 2011 sjönk fabrikspriserna för solcellsmoduler av kristallint kisel plötsligt under 1,00 USD/W-märket, vilket överraskade många i branschen och har orsakat ett antal solcellstillverkningsföretag att gå i konkurs över hela världen. Kostnaden på 1,00 USD/W anses ofta i solcellsindustrin vara en markering av uppnåendet av nätparitet för solceller, men de flesta experter tror inte att denna prisnivå är hållbar. Tekniska framsteg, förbättringar av tillverkningsprocessen och omstrukturering av industrin kan innebära att ytterligare prissänkningar är möjliga. Det genomsnittliga detaljhandelspriset för solceller, som övervakats av Solarbuzz-gruppen, sjönk från 3,50 USD/watt till 2,43 USD/watt under 2011. Under 2013 hade grossistpriserna sjunkit till 0,74 USD/W. Detta har citerats som bevis som stöder " Swansons lag ", en observation som liknar den berömda Moores lag , som hävdar att solcellspriserna faller med 20 % för varje fördubbling av industrins kapacitet. Fraunhofer Institute definierar "inlärningshastigheten" som prisfallet när den kumulativa produktionen fördubblas, cirka 25 % mellan 1980 och 2010. Även om priserna på moduler har sjunkit snabbt har de nuvarande priserna på växelriktare sjunkit i mycket lägre takt, och i 2019 utgör över 61 % av kostnaden per kWp, från en fjärdedel i början av 2000-talet.
Observera att priserna som nämns ovan är för nakna moduler, ett annat sätt att se på modulpriser är att inkludera installationskostnader. I USA, enligt Solar Energy Industries Association, föll priset på installerade solcellsmoduler på taket för husägare från 9,00 USD/W 2006 till 5,46 USD/W 2011. Inklusive priserna som betalas av industriinstallationer sjunker det nationella installerade priset till 3,45 USD /W. Detta är markant högre än på andra håll i världen, i Tyskland var husägarens takinstallationer i genomsnitt $2,24/W. Kostnadsskillnaderna tros främst bero på den högre regelbördan och avsaknaden av en nationell solenergipolitik i USA.
I slutet av 2012 hade kinesiska tillverkare produktionskostnader på 0,50 USD/W i de billigaste modulerna. På vissa marknader kan distributörer av dessa moduler tjäna en avsevärd marginal genom att köpa till fabrikspris och sälja till det högsta pris som marknaden kan stödja (”värdebaserad prissättning”).
I Kalifornien nådde PV nätparitet 2011, vilket vanligtvis definieras som PV-produktionskostnader till eller under detaljhandelns elpriser (men ofta fortfarande över kraftverkspriserna för kol- eller gaseldad produktion utan deras distribution och andra kostnader). Nätparitet hade nåtts på 19 marknader under 2014.
Utjämnad kostnad för el
Den utjämnade elkostnaden (LCOE) är kostnaden per kWh baserat på kostnaderna fördelade över projektets livslängd, och anses vara ett bättre mått för att beräkna lönsamhet än pris per watt. LCOEs varierar dramatiskt beroende på plats. LCOE kan betraktas som det lägsta pris som kunderna kommer att behöva betala till energibolaget för att det ska gå i noll på investeringen i ett nytt kraftverk. Nätparitet uppnås grovt sett när LCOE faller till ett liknande pris som konventionella lokala nätpriser, även om beräkningarna i själva verket inte är direkt jämförbara. Stora industriella solcellsinstallationer hade nått nätparitet i Kalifornien 2011. Gridparitet för taksystem ansågs fortfarande vara mycket längre bort vid denna tidpunkt. Många LCOE-beräkningar anses inte vara korrekta, och en stor mängd antaganden krävs. Modulpriserna kan sjunka ytterligare, och LCOE för solenergi kan sjunka på motsvarande sätt i framtiden.
Eftersom energibehovet stiger och sjunker under dygnet, och solenergin begränsas av att solen går ner, måste solkraftsföretagen också räkna in merkostnaderna för att leverera en mer stabil alternativ energiförsörjning till nätet för att stabilisera systemet, eller lagra energin på något sätt (nuvarande batteriteknik kan inte lagra tillräckligt med ström). Dessa kostnader tas inte med i LCOE-beräkningar, och inte heller särskilda subventioner eller premier som kan göra att köpa solenergi mer attraktivt. Otillförlitligheten och tidsvariationen i produktionen av sol- och vindkraft är ett stort problem. För mycket av dessa flyktiga kraftkällor kan orsaka instabilitet i hela nätet.
Från och med 2017 är priserna för kraftköpsavtal för solgårdar under 0,05 USD/kWh vanliga i USA, och de lägsta buden i vissa länder i Persiska viken var cirka 0,03 USD/kWh. Målet för USA:s energidepartement är att uppnå en utjämnad kostnad för energi för solceller på 0,03 USD/kWh för energibolag.
Subventioner och finansiering
Ekonomiska incitament för solcellsanläggningar , såsom inmatningstariffer (FIT), har ofta erbjudits elkonsumenter att installera och driva solcellsgenereringssystem, och i vissa länder är sådana subventioner det enda sättet att solceller kan förbli ekonomiskt lönsamma. I Tyskland ligger FIT-subventionerna i allmänhet runt 0,13 euro över det normala detaljhandelspriset på en kWh (0,05 euro). PV FIT har varit avgörande för antagandet av industrin och är tillgängliga för konsumenter i över 50 länder från och med 2011. Tyskland och Spanien har varit de viktigaste länderna när det gäller att erbjuda subventioner för PV, och dessa länders policy har drivit efterfrågan i det förflutna. Vissa amerikanska solcellstillverkningsföretag har upprepade gånger klagat över att de sjunkande priserna på PV-modulkostnader har uppnåtts på grund av subventioner från Kinas regering och dumpningen av dessa produkter under rimliga marknadspriser. Amerikanska tillverkare rekommenderar generellt höga tullar på utländska förnödenheter för att låta dem förbli lönsamma. Som svar på dessa farhågor började Obama-administrationen att ta ut tullar på amerikanska konsumenter för dessa produkter 2012 för att höja priserna för inhemska tillverkare. USA subventionerar emellertid också industrin och erbjuder konsumenter en 30 % federal skattelättnad för att köpa moduler. På Hawaii minskar federala och statliga subventioner upp till två tredjedelar av installationskostnaderna.
Vissa miljövänner har främjat idén att statliga incitament bör användas för att expandera PV-tillverkningsindustrin för att minska kostnaderna för PV-genererad el mycket snabbare till en nivå där den kan konkurrera med fossila bränslen på en fri marknad. Detta bygger på teorin att när tillverkningskapaciteten fördubblas skalfördelar att göra att priserna på solprodukterna halveras.
I många länder saknas tillgång till kapital för att utveckla solcellsprojekt. För att lösa detta problem värdepapperisering föreslagits för att påskynda utvecklingen av solcellsprojekt. Till exempel SolarCity den första amerikanska tillgångsstödda säkerheten i solenergiindustrin 2013.
Övrig
Solceller genereras också under en tid på dygnet som är nära toppbehovet (föregår det) i elsystem med hög användning av luftkonditionering. Eftersom storskalig PV-drift kräver backup i form av spinnande reserver, är dess marginalkostnad för produktion mitt på dagen vanligtvis lägst, men inte noll, när PV genererar el. Detta kan ses i figur 1 i detta dokument:. För bostadsfastigheter med privata solcellsanläggningar anslutna till nätet kan ägaren kanske tjäna extra pengar när produktionstidpunkten är inkluderad, eftersom elen är värd mer på dagen än på natten.
En journalist ansåg 2012 att om amerikanernas energiräkningar tvingades upp genom att införa en extra skatt på 50 USD/ton på koldioxidutsläpp från koleldad kraft, kunde detta ha gjort att solcells-PV skulle framstå som mer kostnadskonkurrenskraftiga för konsumenterna i de flesta platser.
Tillväxt
Solceller utgjorde den största forskningen bland de sju hållbara energityper som undersöktes i en global bibliometrisk studie, med den årliga vetenskapliga produktionen som ökade från 9 094 publikationer 2011 till 14 447 publikationer 2019.
Likaså växer användningen av solceller snabbt och den installerade kapaciteten i världen nådde cirka 515 gigawatt (GW) år 2018. Den totala uteffekten av världens solcellskapacitet under ett kalenderår är nu över 500 TWh el. Detta motsvarar 2 % av den globala efterfrågan på el. Mer än 100 länder använder solceller. Kina följs av USA och Japan , medan installationerna i Tyskland , en gång världens största producent, har saktat ner.
Honduras genererade den högsta andelen av sin energi från solenergi 2019, 14,8 %. Från och med 2019 har Vietnam den högsta installerade kapaciteten i Sydostasien, cirka 4,5 GW. Den årliga installationshastigheten på cirka 90 W per capita och år placerar Vietnam bland världsledande. Generös inmatningstaxa (FIT) och statlig stödjande politik som skattebefrielse var nyckeln till att möjliggöra Vietnams solcellsboom. Underliggande drivkrafter är regeringens önskan att öka självförsörjningen med energi och allmänhetens krav på lokal miljökvalitet.
En viktig barriär är begränsad kapacitet i transmissionsnätet.
Kina har världens största solenergikapacitet, med 253 GW installerad kapacitet i slutet av 2020 jämfört med cirka 151 GW i EU, enligt uppgifter från International Energy Agency.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
År 2017 ansågs det troligt att den globala PV-installerade kapaciteten år 2030 kunde vara mellan 3 000 och 10 000 GW. Greenpeace hävdade 2010 att 1 845 GW PV-system över hela världen skulle kunna generera cirka 2 646 TWh/år elektricitet till 2030, och 2050 skulle över 20 % av all elektricitet kunna tillhandahållas av PV.
Ansökningar
Det finns många praktiska tillämpningar för användning av solpaneler eller solceller som täcker alla tekniska områden under solen. Från jordbruksindustrins fält som en kraftkälla för bevattning till dess användning i avlägsna sjukvårdsinrättningar för att kyla medicinska förnödenheter. Andra tillämpningar inkluderar kraftgenerering i olika skalor och försök att integrera dem i hem och offentlig infrastruktur. PV-moduler används i solcellssystem och inkluderar ett stort utbud av elektriska apparater.
Solcellssystem
Ett solcellssystem eller solcellssystem är ett kraftsystem utformat för att leverera användbar solenergi med hjälp av solceller. Den består av ett arrangemang av flera komponenter, inklusive solpaneler för att absorbera och direkt omvandla solljus till elektricitet, en solväxelriktare för att ändra den elektriska strömmen från DC till AC, samt montering, kablage och andra elektriska tillbehör. PV-system sträcker sig från små takmonterade eller byggnadsintegrerade system med kapaciteter från några till flera tiotals kilowatt , till stora kraftverk i kraftverk på hundratals megawatt . Nuförtiden är de flesta PV-system nätanslutna , medan fristående system bara står för en liten del av marknaden.
Fotosensorer
Fotosensorer är sensorer för ljus eller annan elektromagnetisk strålning . En fotodetektor har en p–n-övergång som omvandlar ljusfotoner till ström. De absorberade fotonerna bildar elektron-hålpar i utarmningsområdet . Fotodioder och fototransistorer är några exempel på fotodetektorer. Solceller omvandlar en del av ljusenergin som absorberas till elektrisk energi.
Experimentell teknik
Kristallin kisel solceller är bara en typ av solceller, och även om de representerar majoriteten av solceller som produceras för närvarande finns det många nya och lovande tekniker som har potential att skalas upp för att möta framtida energibehov. Från och med 2018 fungerar kristallin kiselcellsteknologi som grunden för flera PV-modultyper, inklusive monokristallin, multikristallin, mono PERC och bifacial.
En annan nyare teknik, tunnfilm PV, tillverkas genom att deponera halvledande lager av perovskit , ett mineral med halvledaregenskaper, på ett substrat i vakuum. Substratet är ofta glas eller rostfritt stål, och dessa halvledande skikt är gjorda av många typer av material, inklusive kadmiumtellurid (CdTe), kopparindiumdiselenid (CIS), kopparindiumgalliumdiselenid (CIGS) och amorft kisel (a-Si) ). Efter att ha avsatts på substratet separeras de halvledande skikten och sammankopplas med en elektrisk krets genom laserritning. Perovskite solceller är en mycket effektiv solenergiomvandlare och har utmärkta optoelektroniska egenskaper för solcellsändamål, men deras uppskalning från labbstora celler till moduler med stor yta är fortfarande under forskning. Tunnfilmsfotovoltaiska material kan möjligen bli attraktiva i framtiden på grund av de minskade materialkraven och kostnaderna för att tillverka moduler som består av tunnfilm jämfört med kiselbaserade wafers. Under 2019 rapporterade universitetslaboratorier i Oxford, Stanford och på andra håll perovskitsolceller med verkningsgrader på 20-25 %.
CIGS
Kopparindiumgalliumselenid (CIGS) är en tunnfilmssolcell baserad på kopparindiumdiselenidfamiljen (CIS) av kopparindiumdiselenidhalvledare . CIS och CIGS används ofta omväxlande inom CIS/CIGS-gemenskapen. Cellstrukturen inkluderar sodakalkglas som substrat, Mo-skikt som bakkontakt, CIS/CIGS som absorberande skikt, kadmiumsulfid (CdS) eller Zn (S,OH)x som buffertskikt och ZnO:Al som buffertskikt. frontkontakt. CIGS är ungefär 1/100:e tjockleken av konventionella kiselsolcellsteknologier. Material som behövs för montering är lättillgängligt och är billigare per watt solcell. CIGS-baserade solenheter motstår prestandaförsämring över tid och är mycket stabila i fält.
Den rapporterade globala uppvärmningens potentiella effekter av CIGS varierar mellan 20,5–58,8 gram CO 2 -eq/kWh el som genereras för olika solinstrålning (1 700 till 2 200 kWh/m 2 /år) och energiomvandlingseffektivitet (7,8 – 9,12 %). EPBT sträcker sig från 0,2 till 1,4 år, medan harmoniserat värde för EPBT hittades 1,393 år. Toxicitet är ett problem inom buffertskiktet i CIGS-moduler eftersom det innehåller kadmium och gallium. CIS-moduler innehåller inga tungmetaller.
Perovskite solceller
En perovskitsolcell (PSC) är en typ av solcell som innehåller en perovskitstrukturerad förening, oftast ett hybrid-organiskt-oorganiskt bly- eller tennhalogenidbaserat material som det ljusupptagande aktiva skiktet. Perovskitmaterial, såsom metylammoniumblyhalogenider och helt oorganiskt cesiumblyhalogenid, är billiga att tillverka och enkla att tillverka.
Verkningsgraden för enheter i laboratorieskala som använder dessa material har ökat från 3,8 % 2009 till 25,7 % 2021 i arkitekturer med en korsning och, i kiselbaserade tandemceller, till 29,8 %, vilket överstiger den maximala effektiviteten som uppnåtts i enkelövergångskisel solceller. Perovskite solceller har därför varit den snabbast framskridande soltekniken från och med 2016. Med potentialen att uppnå ännu högre effektivitet och mycket låga produktionskostnader har perovskite solceller blivit kommersiellt attraktiva. Kärnproblem och forskningsämnen inkluderar deras stabilitet på kort och lång sikt.Färgsensibiliserade solceller
Färgsensibiliserade solceller (DSC) är en ny tunnfilmssolcell. Dessa solceller fungerar bättre under omgivande ljus än andra solcellstekniker. De arbetar med att ljus absorberas i ett sensibiliserande färgämne mellan två laddningstransportmaterial. Färgämnet omger TiO2-nanopartiklar som finns i ett sintrat nätverk. TiO2 fungerar som ledningsband i en halvledare av n-typ; ställningen för utsmyckade färgämnesmolekyler och transporterar val under excitation. För TiO2 DSC-teknik är provberedning vid höga temperaturer mycket effektivt eftersom högre temperaturer ger lämpligare texturegenskaper. Ett annat exempel på DSC är kopparkomplexet med Cu (II/I) som en redoxskyttel med TMBY (4,4',6,6'-tetrametyl-2,2'bipyridin). DSC:er visar fantastiska prestanda med artificiellt ljus och inomhusljus. Från ett intervall på 200 lux till 2 000 lux arbetar dessa celler vid förhållanden med en maximal effektivitet på 29,7 %.
Det har dock funnits problem med DSC:er, av vilka många kommer från den flytande elektrolyten. Lösningsmedlet är farligt och kommer att tränga igenom de flesta plaster. Eftersom det är flytande är det instabilt mot temperaturvariationer, vilket leder till frysning i kalla temperaturer och expansion i varma temperaturer som orsakar fel. En annan nackdel är att solcellen inte är idealisk för storskalig tillämpning på grund av dess låga verkningsgrad. Några av fördelarna med DSC är att den kan användas i en mängd olika ljusnivåer (inklusive molniga förhållanden), den har en låg produktionskostnad och den bryts inte ned i solljus, vilket ger den en längre livslängd än andra typer av tunn film solceller.
OPV
Andra möjliga framtida solcellstekniker inkluderar organiska, färgkänsliga och kvantprickiga solceller. Organiska solceller (OPV) faller inom tunnfilmskategorin för tillverkning och arbetar vanligtvis runt 12 % effektivitetsintervall, vilket är lägre än de 12–21 % som vanligtvis ses av kiselbaserade PV. Eftersom organiska solceller kräver mycket hög renhet och är relativt reaktiva måste de kapslas in, vilket avsevärt ökar tillverkningskostnaderna och gör att de inte är genomförbara för stor uppskalning. Färgsensibiliserade PV: er liknar OPVs i effektivitet men är betydligt lättare att tillverka. Dessa färgkänsliga solceller ger dock lagringsproblem eftersom den flytande elektrolyten är giftig och potentiellt kan tränga igenom plasten som används i cellen. Quantum dot solceller är lösningsbearbetade, vilket innebär att de är potentiellt skalbara, men för närvarande når de en topp på 12 % effektivitet.
Organiska och polymera solceller (OPV) är ett relativt nytt forskningsområde. Traditionella OPV-cellstrukturskikt består av en halvtransparent elektrod, elektronblockerande lager, tunnelövergång, hålblockerande lager, elektrod, med solen som träffar den transparenta elektroden. OPV ersätter silver med kol som ett elektrodmaterial vilket sänker tillverkningskostnaderna och gör dem mer miljövänliga. OPV är flexibla, låg vikt och fungerar bra med rull-till-rulle tillverkning för massproduktion. OPV använder "endast rikligt med element kopplade till en extremt låg inbyggd energi genom mycket låga bearbetningstemperaturer med användning av endast omgivande bearbetningsförhållanden på enkel utskriftsutrustning som möjliggör energiåterbetalningstider". Nuvarande effektivitet varierar mellan 1–6,5 %, men teoretiska analyser visar lovande utöver 10 % effektivitet.
Många olika konfigurationer av OPV finns med olika material för varje lager. OPV-teknik konkurrerar med befintliga PV-tekniker när det gäller EPBT även om de för närvarande har en kortare livslängd. En studie från 2013 analyserade 12 olika konfigurationer alla med 2 % effektivitet, EPBT varierade från 0,29 till 0,52 år för 1 m 2 PV. Den genomsnittliga CO 2 -eq/kWh för OPV är 54,922 gram.
Termofotovoltaik
Termofotovoltaisk (TPV) energiomvandling är en direkt omvandlingsprocess från värme till elektricitet via fotoner . Ett grundläggande termofotovoltaiskt system består av ett hett objekt som avger termisk strålning och en fotovoltaisk cell som liknar en solcell men som är inställd på det spektrum som släpps in från det heta objektet.
Eftersom TPV-system i allmänhet arbetar vid lägre temperaturer än solceller, tenderar deras effektivitet att vara låg. Att kompensera detta genom att använda multi-junction-celler baserade på icke-kiselmaterial är vanligt, men i allmänhet mycket dyrt. Detta begränsar för närvarande TPV till nischroller som rymdfarkoster och insamling av spillvärme från större system som ångturbiner .Solcellsmodulinriktning
Ett antal solcellsmoduler kan också monteras vertikalt ovanför varandra i ett torn, om solens zenitavstånd är större än noll, och tornet kan vridas horisontellt som en helhet och varje modul dessutom runt en horisontell axel. I ett sådant torn kan modulerna följa solen exakt. En sådan anordning kan beskrivas som en stege monterad på en vridbar skiva. Varje steg på den stegen är mittaxeln på en rektangulär solpanel. Om solens zenitavstånd når noll, kan "stegen" vridas mot norr eller söder för att undvika att en solmodul producerar en skugga på en lägre. Istället för ett exakt vertikalt torn kan man välja ett torn med en axel riktad mot polarstjärnan, vilket innebär att det är parallellt med jordens rotationsaxel . I detta fall är vinkeln mellan axeln och solen alltid större än 66 grader. Under en dag är det bara nödvändigt att vända panelerna runt denna axel för att följa solen. Installationer kan vara markmonterade (och ibland integrerade med jordbruk och bete) eller inbyggda i taket eller väggarna på en byggnad ( byggnadsintegrerad solcellsanläggning ).
Där marken kan vara begränsad kan PV användas som flytande solenergi . 2008 var Far Niente Winery banbrytande för världens första "floatovoltaiska" system genom att installera 994 solcellspaneler på 130 pontoner och flyta dem på vingårdens bevattningsdamm. En fördel med uppsättningen är att panelerna hålls vid en lägre temperatur än de skulle vara på land, vilket leder till en högre effektivitet vid omvandling av solenergi. De flytande panelerna minskar också mängden vatten som förloras genom avdunstning och hämmar tillväxten av alger.
Koncentratorsolceller är en teknik som i motsats till konventionella PV-system med platt platt använder linser och böjda speglar för att fokusera solljus på små, men mycket effektiva solceller med flera korsningar . Dessa system använder ibland solspårare och ett kylsystem för att öka sin effektivitet.
Effektivitet
2019 uppnåddes världsrekordet för solcellseffektivitet på 47,1 % genom att använda solceller med multi-junction koncentrator , utvecklade vid National Renewable Energy Laboratory, Colorado, USA. De högsta effektivitetsvinsterna som uppnåtts utan koncentration inkluderar ett material från Sharp Corporation på 35,8 % med en egenutvecklad trippelkorsningstillverkningsteknik 2009, och Boeing Spectrolab (40,7 % använder också en trippelskiktsdesign).
Det pågår ett pågående arbete för att öka konverteringseffektiviteten för PV-celler och -moduler, främst för konkurrensfördelar. För att öka effektiviteten hos solceller är det viktigt att välja ett halvledarmaterial med ett lämpligt bandgap som matchar solspektrumet. Detta kommer att förbättra de elektriska och optiska egenskaperna. Att förbättra metoden för avgiftsinsamling är också användbart för att öka effektiviteten. Det finns flera materialgrupper som håller på att utvecklas. Ultrahögeffektiva enheter (η>30%) tillverkas med hjälp av GaAs och GaInP2 halvledare med multijunction tandemceller. Högkvalitativa enkristallkiselmaterial används för att uppnå högeffektiva, lågkostnadsceller (η>20%).
Den senaste utvecklingen inom organiska fotovoltaiska celler (OPV) har gjort betydande framsteg i energiomvandlingseffektiviteten från 3 % till över 15 % sedan de introducerades på 1980-talet. Hittills sträcker sig den högsta rapporterade effektomvandlingseffektiviteten 6,7–8,94 % för små molekyler, 8,4–10,6 % för polymer OPV och 7–21 % för perovskit OPV. OPV förväntas spela en stor roll på PV-marknaden. De senaste förbättringarna har ökat effektiviteten och sänkt kostnaderna, samtidigt som de förblir miljövänliga och förnybara.
Flera företag har börjat bädda in effektoptimerare i PV-moduler som kallas smarta moduler . Dessa moduler utför maximal effektspårning (MPPT) för varje modul individuellt, mäter prestandadata för övervakning och tillhandahåller ytterligare säkerhetsfunktioner. Sådana moduler kan också kompensera för skuggeffekter, varvid en skugga som faller över en sektion av en modul gör att den elektriska uteffekten från en eller flera cellsträngar i modulen minskar.
En av de främsta orsakerna till den minskade prestandan hos celler är överhettning. Effektiviteten hos en solcell minskar med cirka 0,5 % för varje temperaturökning på 1 grad Celsius. Det betyder att en 100 graders ökning av yttemperaturen kan minska effektiviteten hos en solcell med ungefär hälften. Självkylande solceller är en lösning på detta problem. Istället för att använda energi för att kyla ytan, kan pyramid- och konformer formas av kiseldioxid och fästas på ytan av en solpanel. Genom att göra det kan synligt ljus nå solcellerna , men reflekterar infraröda strålar (som bär värme).
Fördelar
- Föroreningar och energi i produktionen
De 122 PW solljus som når jordens yta är rikligt – nästan 10 000 gånger mer än de 13 TW-ekvivalenter av den genomsnittliga energi som människor förbrukade 2005. Detta överflöd leder till förslaget att det inte kommer att dröja länge innan solenergi kommer att bli världens primära energikälla. Dessutom har solelproduktion den högsta effekttätheten (globalt medelvärde på 170 W/m 2 ) bland förnybara energikällor.
Solenergi är fri från föroreningar under användning, vilket gör att den kan minska föroreningarna när den ersätts med andra energikällor. Till exempel MIT att 52 000 människor per år dör i förtid i USA av koleldade kraftverksföroreningar och alla utom en av dessa dödsfall skulle kunna förhindras från att använda PV för att ersätta kol. Produktionsavfall och utsläpp kan hanteras med hjälp av befintliga föroreningskontroller. End-of-use återvinningsteknik är under utveckling och policyer tas fram som uppmuntrar återvinning från producenter.
PV-installationer skulle helst kunna fungera i 100 år eller till och med mer med lite underhåll eller ingrepp efter den första installationen, så efter den initiala kapitalkostnaden för att bygga ett solkraftverk är driftskostnaderna extremt låga jämfört med befintlig kraftteknik.
Nätansluten solel kan användas lokalt, vilket minskar överförings-/distributionsförlusterna (överföringsförlusterna i USA var cirka 7,2 % 1995).
- Investering i solcellsforskning
Jämfört med fossila och kärnkraftskällor har väldigt lite forskningspengar investerats i utvecklingen av solceller, så det finns stort utrymme för förbättringar. Ändå har experimentella högeffektiva solceller redan verkningsgrader på över 40 % i händelse av koncentrerade solceller och effektiviteten ökar snabbt samtidigt som massproduktionskostnaderna snabbt sjunker.
- Bostadsbidrag
I vissa delstater i USA kan mycket av investeringen i ett hemmamonterat system gå förlorad om husägaren flyttar och köparen sätter mindre värde på systemet än säljaren. Staden Berkeley utvecklade en innovativ finansieringsmetod för att ta bort denna begränsning, genom att lägga till en skattetaxering som överförs med hemmet för att betala för solpanelerna. Nu känd som PACE , Property Assessed Clean Energy, har 30 amerikanska delstater duplicerat denna lösning.
Nackdelar
- Påverkan på elnätet
För solcellssystem bakom metern på taket blir energiflödet tvåvägs. När det finns mer lokal produktion än förbrukning exporteras el till nätet, vilket möjliggör nettomätning . Elnät är dock traditionellt inte utformade för att hantera tvåvägsenergiöverföring, vilket kan medföra tekniska problem. Ett överspänningsproblem kan uppstå när elen strömmar från dessa PV-hushåll tillbaka till nätet. Det finns lösningar för att hantera överspänningsfrågan, såsom reglering av PV-växelriktarens effektfaktor, ny spännings- och energistyrningsutrustning på eldistributörsnivå, omledning av elkablarna, hantering av efterfrågesidan, etc. Det finns ofta begränsningar och kostnader relaterade till till dessa lösningar.
Hög produktion under mitten av dagen minskar nettoproduktionsefterfrågan, men högre toppnettoefterfrågan när solen går ner kan kräva snabb rampning av elproduktionsstationer, vilket ger en belastningsprofil som kallas andkurvan .
- Konsekvenser för elräkningshantering och energiinvesteringar
Det finns ingen silverkula i el- eller energibehov och fakturahantering, eftersom kunder (sajter) har olika specifika situationer, t.ex. olika komfort-/bekvämlighetsbehov, olika eltariffer eller olika användningsmönster. Eltariffen kan ha några element, såsom daglig tillgång och mätningsavgift, energiavgift (baserat på kWh, MWh) eller peak demand-avgift (t.ex. ett pris för den högsta 30 min energiförbrukningen på en månad). PV är ett lovande alternativ för att sänka energiavgifterna när elpriserna är rimligt höga och kontinuerligt ökar, som i Australien och Tyskland. För anläggningar med avgifter för toppbelastning på plats kan dock PV vara mindre attraktivt om toppbelastningar oftast inträffar sent på eftermiddagen till tidig kväll, till exempel i bostadsområden. Sammantaget är energiinvesteringar till stor del ett ekonomiskt beslut och det är bättre att fatta investeringsbeslut baserade på systematisk utvärdering av alternativen inom driftförbättring, energieffektivitet, generering på plats och energilagring.
Se även
- Agrivoltaic
- American Solar Energy Society
- Onormal fotovoltaisk effekt
- Koppar i förnybar energi § Solcellsproduktion
- Kostnad för el per källa
- Hantering av energibehov
- Elektromotorisk kraft § Solcell
- Lista över solcellsföretag
- Fotoelektrokemisk cell
- Kvantverkningsgrad § Solcellers kvantverkningsgrad
- Kommersialisering av förnybar energi
- Solcellsväv
- Kvalitetssäkring av solcellsmoduler
- Solcellsövervakning
- Solenergi per land
- Solvärmeenergi
- Teori om solceller
Vidare läsning
|
Bibliotekets resurser om solceller |
| Begrepp | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Solcellssystem _ |
|
||||||||||
| Ansökningar |
|
||||||||||
Generationssystem _ |
|
||||||||||
| PV företag |
|
||||||||||
| Begrepp |   
|
||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Solkraft | |||||||||||||||||
|
Distribution och användningsområden |
|
||||||||||||||||
| Ansökningar |
|
||||||||||||||||
| Se även | |||||||||||||||||
| Nationalbibliotek | |
|---|---|
| Övrig | |
