Solgenerering

Solgenerering  är en av riktningarna för alternativ energi , baserad på mottagandet av elektrisk energi från solens energi . Solgenerering utförs genom att omvandla solljus till elektricitet , både direkt med hjälp av fotovoltaiska enheter ( solceller ) och indirekt med koncentrerad solenergi ( solvärmeenergi ). System för att koncentrera solenergi använder linser eller speglar , såväl som spårningssystem som gör att enheten kan maximera området för solljusfläcken. Fotokonverterare omvandlar solljus till elektrisk ström genom den fotoelektriska effekten [1] .

Solelproduktion betraktas som ett sätt att generera el, vars fördel är frånvaron av skadliga utsläpp under drift [2] .

År 2020 var den totala installerade kapaciteten för alla solpaneler i drift på jorden 760 GW . [3] År 2019 var den totala installerade kapaciteten för alla fungerande solpaneler på jorden 635 GW . [4] 2019 producerade solpaneler i drift på jorden 2,7 % av världens elektricitet. [5]

Riktningar för vetenskaplig forskning

Grundläggande forskning

• På grund av teoretiska begränsningar när det gäller att omvandla spektrum till användbar energi (cirka 30 %), kräver första och andra generationens solcellsceller användning av stora markområden för kraftverk. Till exempel, för ett kraftverk med en kapacitet på 1 GW , kan detta vara flera tiotals kvadratkilometer (för jämförelse, vattenkraft , med samma kapacitet, tar märkbart stora arealer ur bruk), men byggandet av solkraft anläggningar med en sådan kapacitet kan leda till en förändring av mikroklimatet i det omgivande området och därför installeras solcellsstationer med en kapacitet på 1 - 2 MW nära konsumenten, eller till och med enskilda och mobila installationer. Solceller på stora solkraftverk installeras på en höjd av 1,8-2,5 meter, vilket gör att marken under kraftverket kan användas för jordbruksändamål, till exempel för bete. Problemet med att hitta stora markområden för solkraftverk löses i fallet med användning av solcellsballongkraftverk, lämpliga för både mark och hav och höghöjdsbasering.
• Flödet av solenergi som faller på en fotocell installerad i en optimal vinkel beror på latitud , årstid och klimat och kan variera med en faktor två för den befolkade delen av landet (upp till tre, med hänsyn tagen till Saharaöknen ) [6 ] . Atmosfärsfenomen (moln, dimma, damm, etc.) förändrar inte bara spektrumet och intensiteten av solstrålning som faller in på jordens yta, utan förändrar också förhållandet mellan direkt och spridd strålning, vilket har en betydande inverkan på vissa typer av solenergi. växter, till exempel med koncentratorer eller på element i ett brett spektrum av transformationer.

Tillämpad forskning

• Solceller fungerar under dagen och fungerar mindre effektivt i morgon- och kvällsskymningen. Samtidigt faller toppen av strömförbrukningen på kvällstimmarna. Dessutom kan elen de producerar fluktuera dramatiskt och oväntat på grund av vädret. För att övervinna dessa brister använder solkraftverk effektiva elektriska batterier (idag är detta ett otillräckligt löst problem), eller konverterar till andra typer av energi, till exempel bygger de pumpade lagringsanläggningar som upptar en stor yta, eller begreppet väteenergi , vilket inte är tillräckligt kostnadseffektivt. Idag löses detta problem helt enkelt genom att skapa enhetliga energisystem som omfördelar den genererade och förbrukade kraften. Problemet med ett visst beroende av ett solkraftverks kraft av tid på dygnet och väderförhållanden löses också med hjälp av solcellsballongkraftverk.
• Relativt högt pris på solceller. Med framsteg inom teknik och stigande priser på fossila bränslen håller man på att övervinna denna brist. 1990 - 2005 _ _ solcellspriserna har sjunkit med i genomsnitt 4 % per år.
• Ytan på fotopaneler och speglar (för värmekraftverk) måste rengöras från damm och andra föroreningar. När det gäller stora solcellsanläggningar, med sin yta på flera kvadratkilometer, kan detta vara svårt, men användningen av polerat glas på moderna solpaneler löser detta problem.
• Användningen av en- och tvåaxliga trackers (spårningssystem) och system med variabel lutningsvinkel för solcellsmoduler gör det möjligt att optimera infallsvinkeln för solljus på modulerna beroende på tid på dygnet och årstid. Men praxis har visat den låga effektiviteten hos dessa system på grund av deras höga kostnad (i förhållande till att snabbt bli billigare fotomoduler), extra energikostnader (för trackers) eller för arbete med att ändra lutningsvinkeln (för system med variabel vinkel), låg tillförlitlighet, i synnerhet - på grund av konstant atmosfärisk påverkan , behovet av regelbundet underhåll och reparationer, samt skador på moduler och elektrisk utrustning orsakade av regelbundna mekaniska operationer [7] .
• Effektiviteten hos solcellsceller minskar när de värms upp (främst för system med koncentratorer), så det blir nödvändigt att installera kylsystem, vanligtvis vatten. Också i fotoelektriska omvandlare av tredje och fjärde generationen, för kylning, är omvandlingen av termisk strålning till strålning mest förenlig med det absorberande materialet i fotovoltaiska cellen (den så kallade uppkonverteringen), vilket samtidigt ökar effektiviteten .
• Efter 30 års drift börjar solcellscellernas effektivitet sjunka. Förbrukade fotoceller, även om en liten del av dem, främst för speciella ändamål, innehåller en komponent ( kadmium ), som är oacceptabel att kastas på en soptipp. En ytterligare expansion av industrin för att avyttra dem behövs .

Miljöfrågor

Vid produktion av fotoceller överstiger inte föroreningsnivån den tillåtna nivån för mikroelektroniska industriföretag. Moderna solceller har en livslängd på 30-50 år. Användningen av kadmium bundet i föreningar vid produktionen av vissa typer av solcellsceller för att öka omvandlingseffektiviteten väcker den svåra frågan om bortskaffande av dem , som inte heller ännu har en miljömässigt acceptabel lösning, även om sådana element är till liten användning, och kadmiumföreningar i modern produktion har redan hittats en lämplig ersättning.

Nyligen har produktionen av tunnfilmsfotoceller aktivt utvecklats, som endast innehåller cirka 1 % kisel , i förhållande till massan av substratet på vilket tunna filmer avsätts. På grund av den låga förbrukningen av material för det absorberande skiktet är kisel, tunnfilms kiselfotoceller här billigare att tillverka, men har än så länge lägre effektivitet och irreparabel försämring av egenskaper över tid. Dessutom utvecklar tillverkningen av tunnfilmsfotovoltaiska celler baserade på andra halvledarmaterial, i synnerhet Smig , en värdig konkurrent till kisel. Till exempel beslutade Shell 2005 att fokusera på produktionen av tunnfilmsceller och sålde sin solcellsverksamhet för monokristallin (icke-tunnfilm) kisel.

Solkoncentratorer orsakar stora ytor av markskuggning, vilket leder till kraftiga förändringar i markförhållanden, vegetation etc. En oönskad miljöpåverkan i stationens område orsakar uppvärmning av luften när solstrålning passerar genom den, koncentrerad av spegelreflektorer. Detta leder till en förändring av värmebalansen, luftfuktigheten, vindriktningen; i vissa fall kan system som använder nav överhettas och fatta eld, med alla följder av det. Användningen av lågkokande vätskor och deras oundvikliga läckage i solenergisystem under långvarig drift kan leda till betydande förorening av dricksvattnet. Av särskild fara är vätskor som innehåller kromater och nitriter, som är mycket giftiga ämnen.

Sätt

Sätt att generera elektricitet från solstrålning:

• solceller - direkt omvandling av fotoner till elektricitet med hjälp av fotovoltaiska celler ;
• solvärmeenergi - uppvärmning av en yta som absorberar solens strålar, och efterföljande distribution och användning av värme (fokusering av solstrålning på ett kärl med vatten eller salt för efterföljande användning av uppvärmt vatten för uppvärmning, varmvattenförsörjning eller i ångkraftgeneratorer) . Som en speciell typ av solvärmestationer är det vanligt att peka ut solsystem av en koncentrerad typ (CSP - Concentrated solar power). I dessa installationer fokuseras energin från solens strålar till en koncentrerad ljusstråle med hjälp av ett system av linser och speglar. Denna stråle används som en källa till termisk energi för att värma arbetsvätskan, som förbrukas för kraftgenerering i analogi med konventionella värmekraftverk eller ackumuleras för att spara energi. Omvandlingen av solenergi till elektricitet utförs med hjälp av värmemotorer:
  • Stirlingmotor ;
  • gasturbin
• varmluftskraftverk (omvandling av solenergi till energin från ett luftflöde riktat till en turbogenerator).
• solcellsballongkraftverk (generering av vattenånga inuti ballongballongen på grund av solstrålning som värmer upp ballongens yta, täckt med en selektiv absorberande beläggning). Fördelen är att det finns tillräckligt med ånga i cylindern för att driva kraftverket nattetid och vid dåligt väder.
• solbränsle

Utveckling

1985 var den totala installerade kapaciteten i världen 0,021 GW.

År 2005 var produktionen av solceller i världen 1 656 GW.

I början av 2010 var den totala globala kapaciteten för solenergi från solceller endast cirka 0,1 % av den globala elproduktionen [10] .

Under 2012 ökade den totala kapaciteten för världens solkraftverk med 31 GW och översteg 100 GW.

De största tillverkarna av solceller 2012 [11] :

1. Yingli  - 2300 MW
2. First Solar  - 1800 MW
3. Trina Solar  - 1600 MW
4. Kanadensisk solenergi  - 1550 MW
5. Suntech  - 1500 MW
6. Sharp  - 1050 MW
7. Jinko Solar  - 900 MW
8. SunPower  - 850 MW
9. REC Group  - 750 MW
10. Hanwha SolarOne  - 750 MW

2013 installerades 39 GW solcellskapacitet globalt. Som ett resultat av detta uppskattades den totala kapaciteten för solcellsanläggningar i början av 2014 till 139 GW [12] .

Ledande när det gäller installerad kapacitet är Europeiska unionen [13] , bland enskilda länder - Kina: från januari till september 2017 togs 42 GW nya solcellsanläggningar [14] i drift i landet . Sett till total kapacitet per capita är Tyskland ledande.

Spridningen av solenergi

2010 kom 2,7 % av Spaniens el från solenergi [15] .

2011 kom cirka 3 % av Italiens el från solcellsanläggningar [16] .

I december 2011 slutfördes byggandet av den sista, femte, 20 megawatts solenergiparken i Perovo i Ukraina, vilket resulterade i att dess totala installerade kapacitet ökade till 100 MW [17] . Perovo solpark, som består av fem faser, har blivit den största parken i världen sett till installerad kapacitet. Den följs av det kanadensiska kraftverket Sarnia (97 MW), italienska Montalto di Castro (84,2 MW) och tyska Finsterwalde (80,7 MW). Stänger världens fem största solcellsparker - 80 megawatts kraftverk " Okhotnikovo " i Saki-regionen på Krim [18] .

2018 meddelade Saudiarabien sin avsikt att bygga världens största solkraftverk med en kapacitet på 200 GW [19] .

År 2018 var kapaciteten för alla solcellsanläggningar i EU 115 GW, de producerade 5 % av all elektricitet. Under 2019 ökade deras kapacitet med ytterligare 17 GW. Priserna på solpaneler har sjunkit från 2010 till 2020. mer än fyra gånger. [tjugo]

Jobb

I mitten av 2011 sysselsatte solcellsindustrin i Tyskland mer än 100 000 personer. 93,5 tusen människor arbetade med solenergi i USA [21] .

Utsikter för solenergi

I världen har den årliga ökningen av energi under de senaste fem åren i genomsnitt varit cirka 50 % [22] . Energin som härrör från solstrålning kommer hypotetiskt kunna tillhandahålla 20-25 % av mänsklighetens behov av el år 2050 och minska koldioxidutsläppen. Enligt experter från International Energy Agency ( IEA ) kommer solenergi om 40 år, med lämplig spridningsnivå av avancerad teknik, att generera cirka 9 tusen terawattimmar - eller 20-25% av all el som behövs, och detta kommer att minska koldioxidutsläppen med 6 miljarder ton årligen [10] .

Procentandelen för att möta mänsklighetens behov till 2050 med el från solkraftverk är en fråga om kostnaden för 1 kWh vid installation av ett nyckelfärdigt solkraftverk och utvecklingen av det globala energisystemet, samt den jämförande attraktiviteten hos andra sätt att generera el. Hypotetiskt kan detta vara från 1 % till 80 %. Ett av siffrorna i det här intervallet stämmer exakt överens med sanningen.

Energiåterbetalningen för ett solkraftverk är mycket mindre än 30 år. För USA, med en genomsnittlig solstrålningseffekt på 1700 kWh per m² och år, är energiåterbetalningen för en polykristallin kiselmodul med en verkningsgrad på 12 % mindre än 4 år (data för januari 2011) [23] .

Utsikterna att använda solen för att generera el försämras på grund av höga kostnader. Till exempel, Aiwonpa CHPP kostar fyra gånger mer och genererar mycket mindre el än gaseldade kraftverk. Enligt experter kommer el som genereras av denna station i framtiden att kosta dubbelt så mycket som den som tas emot från konventionella energikällor, och kostnaderna kommer givetvis att föras över på konsumenterna [24] .

I Ryssland är utsikterna för utveckling av solenergi fortfarande osäkra, landet ligger många gånger efter generationsnivån i europeiska länder. Andelen solelproduktion är mindre än 0,001 % av den totala energibalansen. Till 2020 är det planerat att ta i drift cirka 1,5–2 GW kapacitet. Den totala kapaciteten för solelproduktion kan öka tusen gånger, men den blir mindre än 1 % i energibalansen. Direktören för Rysslands solenergiförening Anton Usachev identifierar Altai- republiken , Belgorod-regionen och Krasnodar-territoriet som de mest utvecklade regionerna när det gäller solenergi. I framtiden är det planerat att placera installationer i områden isolerade från elnät [22] .

Typer av fotovoltaiska celler

Solid state

För närvarande är det vanligt att särskilja tre generationer av solceller [25] :

• Kristall (första generationen):
  • monokristallint kisel;
  • polykristallint (flerkristallint) kisel;
  • teknologier för att odla tunnväggiga ämnen: EFG (Edge defined film-fed crystal growth technique), S-web (Siemens), tunnskiktspolykisel (Apex).
• Tunn film (andra generationen):
  • kisel: amorft, mikrokristallint, nanokristallint, CSG (kristallint kisel på glas);
  • baserad på kadmiumtellurid (CdTe);
  • baserat på kopparindium-(gallium)selenid (CI(G)S);
• FEP av tredje generationen:
  • fotosensibiliserat färgämne (färgämnessensibiliserad solcell, DSC);
  • organisk (polymer) FEP (OPV);
  • oorganiska solceller (CTZSS);
• FEP baserad på kaskadstrukturer.

2005 stod tunnfilmssolceller för 6 % av marknaden. 2006 stod tunnfilmssolceller för 7 % av marknadsandelen. Under 2007 ökade andelen tunnfilmsteknik till 8 %. 2009 ökade andelen tunnfilmssolceller till 16,8 % [26] .

Under perioden 1999 till 2006 växte utbudet av tunnfilmssolceller årligen med i genomsnitt 80 %.

Nanoantenner

Nyligen har det skett framsteg i skapandet av solceller baserade på nanoantenner som direkt omvandlar den elektromagnetiska energin från ljusstrålning till elektrisk ström. Löftet med nanoantenner beror på deras höga teoretiska effektivitet (upp till 85%) och potentiellt lägre kostnad [27] .

Soltransport

Solceller kan installeras på olika fordon: båtar, el- och hybridfordon , flygplan, luftskepp , etc.

Solceller genererar elektricitet, som används för strömförsörjning ombord av fordonet, eller för elmotorn i elfordon.

I Italien och Japan installeras solceller på taket på järnvägståg. De producerar el för luftkonditionering, belysning och nödsystem.

Solatec LLC säljer tunnfilmsfotovoltaiska celler för taket på Toyota Prius hybridfordon . Tunnfilmsfotoceller är 0,6 mm tjocka, vilket inte påverkar bilens aerodynamik. Fotoceller är designade för att ladda batterier, vilket gör att du kan öka bilens körsträcka med 10 %.

1981 flög flygaren Paul Beattie MacCready en Solar Challenger som enbart drevs av solenergi och täckte en sträcka på 258 kilometer med en hastighet av 48 km/h [28] . 2010 höll det solarbemannade Solar Impulse flygplanet i luften i 24 timmar. Militären är mycket intresserad av soldrivna obemannade flygfarkoster ( UAV ) som kan stanna i luften under extremt långa perioder av månader och år. Sådana system skulle kunna ersätta eller komplettera satelliter.

Se även

• solenergi
• solkraftverk
• Solbatteri
• solavsaltning
• energitorn

Anteckningar

1. ↑ Energikällor:  Solenergi . Institutionen för energi . energy.gov. Hämtad 2 april 2015. Arkiverad från originalet 3 augusti 2011.
2. ↑ Fomicheva, Anastasia. "Solgenereringen kommer att växa" - Sari Baldauf, styrelseordförande för Fortum Energy Holding . Vedomosti (3 december 2013). Hämtad 3 april 2015. Arkiverad från originalet 7 april 2015. (obestämd)
3. ↑ Källa . Hämtad 12 augusti 2021. Arkiverad från originalet 15 juni 2021. (obestämd)
4. ↑ FOTOVOLTAICS RAPPORT 4. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (16 september 2020). Hämtad 15 juli 2021. Arkiverad från originalet 9 augusti 2014. (obestämd)
5. ↑ Global BP: Solenergi . Hämtad 5 april 2018. Arkiverad från originalet 6 december 2018. (obestämd)
6. ↑ Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS)
7. ↑ Philip Wolfe. Solar Photovoltaic Projects in the Mainstream Power Market // Oxford: Routledge. - 2012. - S. 240 . — ISSN 978-0-415-52048-5 .
8. ↑ BP Statistical Review of World Energy June 2015, Renewables section , BP  (juni 2015). Arkiverad från originalet den 7 juli 2015. Hämtad 7 februari 2017.
9. ↑ World Energy Organization Statistical Review 2017 , BP  (juni 2017). Arkiverad från originalet den 6 december 2018. Hämtad 5 april 2018.
10. ↑ 1 2 BFM.RU Solteknik kommer att ge en fjärdedel av elektriciteten.
11. ↑ Dagens diagram: Världens tio bästa solcellsleverantörer. 15 april 2013 // RE neweconomy
12. ↑ Källa . Hämtad 7 februari 2017. Arkiverad från originalet 12 november 2020. (obestämd)
13. ↑ Gero Ryuter, Andrey Gurkov. World Solar Energy: A Watershed Year . Deutsche Welle (29 maj 2013). Hämtad 15 juni 2013. Arkiverad från originalet 19 juni 2013. (obestämd)
14. ↑ Vladimir Sidorovich . Mer än 50 GW solkraftverk kommer att tas i drift i Kina i år , RenEn  (17 oktober 2017). Arkiverad från originalet den 20 september 2020. Hämtad 4 maj 2020.
15. ↑ Paul Gipe Spanien genererade 3 % av sin el från solenergi 2010 28 januari 2011 . Datum för åtkomst: 7 februari 2017. Arkiverad från originalet 29 december 2014. (obestämd)
16. ↑ Paul Gipe Italien passerar 7 000 MW av totalt installerad solenergi PV 22 juli 2011 . Hämtad 7 februari 2017. Arkiverad från originalet 15 juli 2014. (obestämd)
17. ↑ Activ Solar byggde det största solkraftverket i världen på Krim (otillgänglig länk) . Tillträdesdatum: 7 februari 2017. Arkiverad från originalet 19 juni 2013. (obestämd) 
18. ↑ Activ Solar ökade kapaciteten hos SPP "Okhotnikovo" och "Perovo" - UA Energy . www.uaenergy.com.ua Hämtad 11 oktober 2017. Arkiverad från originalet 11 oktober 2017. (ryska)
19. ↑ Deutsche Welle 03/30/2018 Saudiarabien ska ersätta olja med solpaneler Arkiverad 3 april 2018 på Wayback Machine
20. ↑ Gero Ruther, Vera Sosenkova Kommer EU:s solboom att hjälpa till att begränsa klimatförändringarna? Arkiverad 16 februari 2020 på Wayback Machine // Deutsche Welle , 02/11/2020
21. ↑ Stephen Lacey Gröna jobb är verkliga: Tysk och amerikansk solenergiindustri anställer båda fler människor än amerikansk stålproduktion 17 juni 2011 . Tillträdesdatum: 7 februari 2017. Arkiverad från originalet 17 juni 2013. (obestämd)
22. ↑ 1 2 Dmitrij Nikitin. Den hårda vägen till solen: kommer solenergi att värma Ryssland . RBC (17 juni 2013). Hämtad 15 juni 2013. Arkiverad från originalet 20 juni 2013. (obestämd)
23. ↑ Energiåterbetalning av solceller (eng) . Hämtad 7 februari 2017. Arkiverad från originalet 14 maj 2011. (obestämd)
24. ↑ Cassandra Sweet (översatt av Alexei Nevelsky). Ett gigantiskt solkraftverk i Kalifornien dödar fåglar. . Solvärmeanläggningen på 2,2 miljarder dollar kan bli det sista sådana projektet: den värmer upp luften till 540 grader Celsius, tillsynsmyndigheter och biologer tror att detta är orsaken till dussintals fåglars död . Vedomosti , översatt från The Wall Street Journal (13 februari 2014) . Hämtad 6 juni 2016. Arkiverad från originalet 4 september 2016. (ryska)
25. ↑ IAA Cleandex - Ryssland och Ukraina. Photovoltaic Market Review 2011 . Hämtad 12 januari 2017. Arkiverad från originalet 23 september 2015. (obestämd)
26. ↑ Topp 10: De tio största solcellsföretagen 29 juni 2010 . Hämtad 12 januari 2017. Arkiverad från originalet 21 december 2014. (obestämd)
27. ↑ Krasnok A E, Maksimov I S, Denisyuk A I, Belov P A, Miroshnichenko A E, Simovsky K R, Kivshar Yu S. Optical nanoantennas  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Ryska vetenskapsakademin , 2013. - T. 183 , nr 6 . - S. 561-589 . - doi : 10.3367/UFNr.0183.201306a.0561 . Arkiverad från originalet den 13 augusti 2020. (ryska)
28. ↑ Britannica Book of the Year 2008 Arkiverad 13 januari 2017 på Wayback Machine : "MacCready, Paul Beattie", sida 140

Litteratur

• Butti, Ken; Perlin, John. En gyllene tråd (2500 år av solararkitektur och teknologi)  (engelska) . - Van Nostrand Reinhold , 1981. - ISBN 0-442-24005-8 .  (Engelsk)
• Carr, Donald E. Energy & the Earth Machine . - W. W. Norton & Company , 1976. - ISBN 0-393-06407-7 .  (Engelsk)
• Halacy, Daniel. Solenergins kommande tidsålder. - Harper and Row , 1973. - ISBN 0-380-00233-7 .  (Engelsk)
• Martin, Christopher L.; Goswami, D. Yogi. Solar Energy Pocket Referens. - International Solar Energy Society, 2005. - ISBN 0-9771282-0-2 .  (Engelsk)
• Mills, David. Framsteg inom solvärmeelektricitetsteknik // Solenergi. - 2004. - T. 76 , nr 1-3 . - S. 19-31 . - doi : 10.1016/S0038-092X(03)00102-6 . — .  (Engelsk)
• Perlin, John. Från rymden till jorden (The Story of Solar Electricity)  (engelska) . - Harvard University Press , 1999. - ISBN 0-674-01013-2 .  (Engelsk)
• Tritt, T.; Böttner, H.; Chen, L. Thermoelectrics: Direct Solar Thermal Energy Conversion  //  MRS Bulletin : journal. - 2008. - Vol. 33 , nr. 4 . - s. 355-372 .  (Engelsk)
• Yergin, Daniel. Priset: The Epic Quest for Oil, Money and Power  (engelska) . — Simon & Schuster , 1991. — S.  885 . — ISBN 978-0-671-79932-8 .  (Engelsk)

Länkar