Photovoltaics/Фотовольтаика

▼Это тематическая страница .

Основное внимание Appropedia уделяет оригинальным исследованиям , но эта страница предоставляет полезный контекст и помогает ориентироваться на сайте. Вы можете помочь Appropedia, улучшив эту страницу .

Фотовольтаика (ФВ) — это метод генерации электроэнергии путем преобразования солнечного излучения в постоянный электрический ток с использованием полупроводников , обладающих фотоэлектрическим эффектом. ^{[ 1 ]} Фотовольтаическая генерация энергии осуществляется с помощью солнечных панелей, состоящих из множества ячеек, содержащих фотоэлектрический материал. В настоящее время для фотовольтаики используются такие материалы, как монокристаллический кремний , поликристаллический кремний, аморфный кремний, теллурид кадмия и селенид/сульфид меди-индия.

В связи с растущим спросом на возобновляемые источники энергии, производство солнечных элементов и фотоэлектрических батарей значительно продвинулось в последние годы. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} В этой статье рассматриваются компоненты фотоэлектрической системы, описывается их роль и важность, и она служит начальным руководством для тех, кто хочет инвестировать в фотоэлектрическую систему.

Каждый день по всему миру солнце светит на Землю с энергией, более чем достаточной для обеспечения энергией всего мира. ^{[ 5 ]} Энергия фотонов солнца может быть преобразована в электрическую энергию. Этот процесс называется фотоэлектрическим эффектом . Таким образом, чем больше фотоэлектрических панелей для сбора энергии, тем лучше. Фактически, Министерство энергетики США неоднократно сообщало, что если бы 9% пустыни Мохаве были покрыты солнечными батареями, они могли бы обеспечивать США электроэнергией на постоянной основе. Кроме того, если бы вы взяли 1% территории к югу от Сахары и установили на ней солнечные панели, вы могли бы обеспечивать энергией весь мир вечно.

Первая фотоэлектрическая ячейка была создана Чарльзом Фриттсом, который в 1883 году изготовил 30-сантиметровую ячейку из селена и золота. ^{[ 6 ]} Современная кремниевая фотоэлектрическая технология была открыта в 1954 году исследователями из Bell Labs, которые случайно разработали p-n-переход, позволяющий фотоэлектрическим элементам производить полезную электроэнергию. ^{[ 7 ]} В 1958 году НАСА начало использовать фотоэлектрические элементы в качестве резервных систем питания для своих спутников. ^{[ 6 ]} Первый жилой дом, работающий на солнечной энергии, был построен в Делавэрском университете в 1973 году, а первый мегаваттный фотоэлектрический проект был установлен в Калифорнии в 1984 году. ^{[ 6 ]}

С момента появления первой коммерчески доступной солнечной панели в 1960-х годах фотоэлектрические (ФЭ) технологии продолжали изучаться и развиваться по всему миру (Pratt & Schaeffer 51). ^{[ 8 ]} Постоянное развитие этой технологии привело к повышению эффективности и появлению ФЭ-панелей, которые стали доступнее, чем когда-либо прежде, хотя изначально все еще были дорогими. Сегодня человечество продолжает искать новые способы сделать фотоэлектрические технологии жизнеспособным вариантом для всех во всем мире. Поскольку большинство из нас не изучает атомный уровень этой технологии, мы можем помочь другими способами — получая понимание и распространяя это понимание фотовольтаики, а также помогая другим получить доступ к солнечным, или фотоэлектрическим, системам.

По состоянию на 2010 год солнечные фотоэлектрические системы вырабатывают электроэнергию более чем в 100 странах и, хотя пока составляют лишь крошечную долю от общей глобальной мощности генерации электроэнергии в 4,8 ТВт из всех источников, являются самой быстрорастущей технологией генерации электроэнергии в мире. ^{[ 9 ]} В период с 2004 по 2009 год мощность фотоэлектрических систем, подключенных к сети, увеличивалась в среднем на 60 процентов в год, достигнув примерно 21 ГВт. ^{[ 10 ]} Такие установки могут быть наземными (а иногда интегрированными с сельским хозяйством и выпасом скота) ^{[ 11 ]} или встроенными в крышу или стены здания, известные как интегрированные в здания фотоэлектрические системы или сокращенно BIPV. ^{[ 12 ]} Автономные фотоэлектрические системы составляют еще 3–4 ГВт. ^{[ 10 ]} Благодаря достижениям в технологиях и увеличению масштабов и сложности производства, стоимость фотоэлектрических систем неуклонно снижалась с момента производства первых солнечных элементов. ^{[ 13 ]} Система нетто-учета и финансовые стимулы, такие как льготные тарифы на электроэнергию, вырабатываемую солнечными батареями (например, ^{[ 14 ]} ), способствовали развитию солнечных фотоэлектрических установок во многих странах.

Фотоэлектрические технологии обладают рядом уникальных преимуществ перед традиционными технологиями выработки электроэнергии. Фотоэлектрические системы могут быть спроектированы для различных применений и эксплуатационных требований и могут использоваться как для централизованной, так и для распределенной выработки электроэнергии. Фотоэлектрические системы не имеют движущихся частей, являются модульными, легко расширяемыми и даже транспортабельными в некоторых случаях. Солнечный свет бесплатен, а работа фотоэлектрических систем не создает шума или загрязнения. Солнечным панелям даже не нужен прямой солнечный свет для выработки электроэнергии. ^{[ 15 ]} Фотоэлектрические панели не требуют использования ископаемого топлива, такого как уголь, нефть или природный газ, в процессе производства энергии. В отличие от этого, традиционные источники топлива создали множество экологических проблем, а именно глобальное потепление, кислотные дожди, смог, загрязнение воды, быстрое заполнение свалок, разрушение среды обитания в результате разливов нефти и потерю природных ресурсов (Solar Energy International 2004). Фотоэлектрические модули используют кремний в качестве основного компонента. Кремниевые ячейки, изготовленные из одной тонны песка, производят столько же электроэнергии, сколько сжигание 500 000 тонн угля (Solar Energy International 2004). Хорошо спроектированные и правильно установленные фотоэлектрические системы требуют минимального обслуживания и имеют длительный срок службы. При надлежащем обслуживании ^{[ 16 ]} (очистке и защите) фотоэлектрические панели могут прослужить до тридцати лет и более. Другие элементы системы, такие как батарея, имеют гораздо меньший срок службы и могут потребовать замены через несколько лет эксплуатации.

В издании Solar Energy International (2004) указывается, что при выборе фотоэлектрических технологий следует учитывать множество других преимуществ:

• Надежность : даже в самых суровых условиях фотоэлектрические системы обеспечивают бесперебойное электроснабжение. В отличие от них, традиционные технологии часто выходят из строя в самые критические моменты.
• Долговечность : Как правило, на модули распространяется гарантия 80% от их номинальной мощности на 20 и более лет. Таким образом, в худшем случае ожидается снижение производительности на 1% в год. Несколько исследований показали еще меньшую деградацию, около 0,2% в год. Фотоэлектрические модули за время своей работы производят больше энергии, чем требуется для их производства. ^{[ 17 ]}
• Низкие затраты на техническое обслуживание : фотоэлектрические системы не требуют частого осмотра или обслуживания. Транспортировка материалов может быть дорогостоящей, но эти затраты обычно ниже, чем в случае с традиционными системами.
• Отсутствие затрат на топливо : Поскольку источник топлива отсутствует, не требуется никаких затрат на его закупку, хранение или транспортировку.
• Снижение уровня шумового загрязнения : фотоэлектрические системы работают бесшумно и с минимальным количеством перемещений.
• Модульность фотоэлектрических систем : В отличие от традиционных систем, к фотоэлектрическим системам можно добавлять модули для увеличения доступной мощности.
• Безопасность : фотоэлектрические системы не требуют использования горючего топлива и очень безопасны при правильном проектировании и установке.
• Независимость : фотоэлектрические системы могут работать независимо от электросетей. Это большое преимущество для сельских общин в странах, где отсутствует базовая инфраструктура.
• Децентрализация электросетей : Малые децентрализованные электростанции снижают вероятность отключений электроэнергии, которые часто происходят в электросети. См.: Распределенная генерация
• Работа на больших высотах : При использовании солнечной энергии выходная мощность оптимизируется на больших высотах. Это очень выгодно для высокогорных, изолированных населенных пунктов, где дизельные генераторы приходится модернизировать из-за потери эффективности и мощности.

За счет компенсации потребности в традиционном источнике энергии распределенная солнечная энергия обеспечивает измеримые преимущества с точки зрения энергосети, в том числе: ^{[ 18 ]}

• Снижение цен на электроэнергию на традиционном рынке обусловлено уменьшением пикового спроса.
• Ценная защита от колебаний цен благодаря использованию бесплатного возобновляемого топлива вместо ископаемого топлива с переменными ценами.
• Снижены затраты на создание новой инфраструктуры передачи и распределения электроэнергии для управления поставками с централизованных электростанций;
• Снижение потребности в строительстве, эксплуатации и техническом обслуживании электростанций, работающих на природном газе.
• Сокращение перебоев в электроснабжении благодаря более надежной распределенной системе электроснабжения.
• Снижение будущих затрат на смягчение воздействия на окружающую среду при использовании угля, природного газа, атомной и других источников энергии.
• Увеличение налоговых поступлений связано с созданием рабочих мест на местном уровне, причем доходы от солнечной энергетики выше, чем от традиционной. См. этот пример получения дохода для канадского правительства за счет поддержки производства фотоэлектрических элементов. ^{[ 19 ]}

Солнечная энергия — это практически неисчерпаемый источник энергии, но это не обязательно означает, что фотоэлектрические системы являются таким же источником энергии. Фотоэлектрические системы включают в себя:

• Необходимо оплатить все в начале . Цены на модули и генераторы снижаются на 20-40% каждый год в течение последних 7 лет. То, что когда-то было дорогой и субсидируемой технологией (1995-2009), теперь стало доступным и экономически выгодным в солнечных регионах даже США и Южной Европы (2012). Стремительный рост цен на энергоносители также сделал солнечные панели более экономически выгодными, поскольку срок их окупаемости сократился. ^{[ 20 ]} В среднем, домохозяйства Великобритании видят, как солнечные панели окупаются на 2,5 года быстрее после введения Ofgem в апреле 2022 года ограничения цен, ^{[ 21 ]} в результате чего стоимость энергии выросла на 54% для большинства домохозяйств. ^{[ 22 ]} Компоненты системы дорого заменять. Стоимость типичной фотоэлектрической системы в США составляет от 2 до 6 долларов за Вт ^{[ 23 ].} Таким образом, обеспечение электроэнергией типичного дома в США с помощью системы мощностью 5 кВт обходится от 10 000 до 30 000 долларов. Для более энергоэффективных домов и домов с более скромными электрическими нагрузками (например, несколько высокоэффективных светодиодов) затраты значительно ниже. Недавний дефицит кремния солнечного качества остановил многолетнее снижение стоимости по мере увеличения производственных мощностей. Тенденция к снижению затрат восстанавливается по мере ввода в эксплуатацию новых заводов по производству кремния солнечного качества ^. Кроме того, по мере начала действительно крупномасштабного производства с использованием промышленного симбиоза, солнечные фотоэлектрические системы должны стать конкурентоспособными по стоимости с электроэнергией, поставляемой из сети . ^{[ 24 ]}
• Высокие технологии — для их создания требуется квалифицированная рабочая сила, хотя эксплуатация и обслуживание самих фотоэлектрических элементов относительно просты. В настоящее время нет эффективных методов для самостоятельного изготовления фотоэлектрических систем из местных материалов. Высокотехнологичный характер дает большое преимущество в масштабировании производства при использовании существующих технологий.
• Некоторые фотоэлектрические материалы токсичны . Например, кадмий в солнечных элементах из теллурида кадмия. Многие авторы утверждают, что в самой панели кадмий защищен от воздействия окружающей среды, но при этом требуется тщательная утилизация после окончания срока службы.
• Солнечные батареи вырабатывают электроэнергию только тогда, когда светит солнце, и не переносят затенения, поэтому они не являются стабильным источником энергии для энергоемких устройств. Ночью или в плохую погоду необходимы либо аккумуляторные батареи, либо дополнительный источник питания. (С другой стороны, солнечные панели отлично подходят для балансировки нагрузки, поскольку максимальное потребление электроэнергии и пиковая выработка солнечной энергии происходят в жаркие солнечные дни. )

В лагерях защитников окружающей среды часто приводят два аргумента против высокотехнологичных фотоэлектрических систем:

• Загрязнение окружающей среды в процессе производства – ископаемое топливо широко используется для добычи, производства и транспортировки фотоэлектрических панелей. ^{[ 25 ]} Эти процессы также влекут за собой соответствующие источники загрязнения . Это справедливо практически для любого продукта, производимого сегодня. К счастью, анализ жизненного цикла фотоэлектрической системы в целом положительно сказывается на окружающей среде, поскольку он может компенсировать производство энергии из ископаемого топлива в течение примерно 25+ лет ее срока службы.
• Высокая стоимость энергии — для производства требуется много энергии. В прошлом даже утверждалось, что на производство требуется больше энергии, чем они потребляют. Это просто неверно. ^{[ 26 ]} В этой статье авторы ясно показывают, что три типа фотоэлектрических (ФЭ) материалов, которые составляют большую часть активного солнечного рынка: монокристаллические, поликристаллические и аморфные кремниевые солнечные элементы, окупаются в энергетическом выражении за несколько лет (1-5 лет) . Таким образом, они генерируют достаточно энергии за свой срок службы, чтобы многократно себя воспроизвести (6-31 воспроизведение) в зависимости от типа материала, баланса системы и географического положения системы.
• Системы хранения энергии на основе аккумуляторов, интегрированные с солнечными батареями, являются примером микросети. Энергия может накапливаться в течение дня и использоваться ночью.

При расчете мощности автономных фотоэлектрических систем необходимо учитывать реальные потери эффективности при определении емкости аккумулятора. Заявленная мощность в ватт-часах представляет собой накопленную энергию, а не полезную выходную мощность после потерь на преобразование в инверторе (обычно 10-15%). Расчеты на основе нагрузки помогают определить соответствующую мощность. Портативный калькулятор для расчета мощности электростанции может упростить эту оценку для небольших автономных систем и систем аварийного резервирования.

С момента установки фотоэлектрической системы

На этой странице представлено руководство по установке фотоэлектрической системы.

Здесь вы найдете информацию о том, как следует проводить анализ участка для определения оптимального места для его размещения, а также о том, как следует рассчитыватьего размеры .

Позже вы найдете список компонентов для построения системы (включая ячейку , панель или модуль , массив , аккумулятор глубокого разряда , контроллер заряда , стабилизатор напряжения , устройство отключения при низком напряжении , инвертор , нагрузку , счетчик , защиту от перегрузки по току и генератор ).

В заключение приводитсяинформация о том, как правильно выполнить электромонтажные работы .

Предупреждение : Прежде чем устанавливать какую-либо фотоэлектрическую систему, следует сначала оптимизировать энергоэффективность вашего дома .

От фотоэлектрических солнечных тепловых систем

Цель гибридных фотоэлектрических солнечно-тепловых (ФЭТ) систем — производство тепла и электроэнергии на меньшей площади, чем при использовании одновременно фотоэлектрической панели и солнечной тепловой системы. В настоящее время конструкция ФЭТ предполагает приклеивание солнечной панели к солнечной тепловой системе. ФЭТ используют солнечную тепловую систему для охлаждения фотоэлектрических элементов, что повышает их эффективность, поскольку солнечные элементы деградируют при температурах выше 25°C. Однако это означает, что эффективность тепловой части ФЭТ значительно ниже по сравнению с одной только солнечной тепловой системой (максимальная эффективность 50% против 70% и более).

Существуют гораздо более экономически эффективные изменения, чем внедрение фотоэлектрических систем в жилых домах. Например, инвестиции в солнечные водонагреватели и энергоэффективность, а возможно, даже в компенсацию выбросов углерода, окажут гораздо большее влияние на снижение углеродного/экологического следа. ^{[ требуется подтверждение ]}

215 Аккордеонные фотоэлектрические портативные источники питания

215 Кассиопея солнечный апокалипсис компьютер

215 Самодельный вентилятор на солнечной энергии, воздушный фильтр

215 Аварийный фотоэлектрический бокс

215 Солнечный оконный вентилятор Mahana

215 солнечных батарей для маломощного медицинского оборудования

Аргентина фотоэлектрическая

Фотоэлектрическая система

Бриселанд ПВ

CCAT MEOW 2023

Система CCAT PV

Анализ энергопотребления фотоэлектрической системы CCAT

Солнечная зарядная станция CCAT

CCAT greenshed солнечное освещение

Солнечное освещение CCAT Greenshed 2015

Солнечный киоск CCAT

Возобновляемая энергия Ghetto2Garden 2014

Музыкальное здание, фотоэлектрическая система А

Возобновляемая энергия Ла-Юки, 2014 год.

Малая возобновляемая энергия Ла-Юки, 2012 год.

... дальнейшие результаты

Ноутбук APSC 100 213B на солнечных батареях

Солнечный водонагреватель

Светодиодная подсветка крышек бутылок

КОТ МЯУ

CCAT MEOW 2019

Солнечная стереосистема CCAT

Учебная станция по солнечной энергетике Engr 305

Солнечная галерея Парраса

Фотоэлектрическое охлаждение вакцин в Центре здоровья

Средство отпугивания малиновок для солнечного зарядного устройства

Ноутбук Solar XO 213F

Газонокосилка с солнечной зарядкой

Солнечное решение XO

Учебная станция по фотоэлектрической энергетике UTC

• Открытые лекции по солнечной фотовольтаике
• Фотоэлектрические модули, имеющиеся в продаже
• Автомобиль с солнечной зарядкой
• Бытовая фотоэлектрическая система с учетом нетто-учета.
• Оптимальная ориентация устройств для сбора солнечной энергии
• Голографическое солнечное
• Техническое обслуживание вашей солнечной электросистемы
• Программирование регистратора данных CR1000
• Холодильное оборудование для развивающихся стран
• Наземное крепление солнечных фотоэлектрических панелей
• Сельское освещение
• Часто задаваемые вопросы о солнечных фотоэлектрических элементах
• Карты солнечной радиации
• Оборудование для спектрально-селективных покрытий
• PVTOM — программное обеспечение, разработанное для моделирования и оптимизации гибридных фотоэлектрических и тригенерационных энергетических систем на основе технических, экономических показателей и показателей выбросов.
• Самодельные солнечные фотоэлектрические системы с открытым исходным кодом
• Люминесцентные лампы с холодным катодом
• Твердотельные лампы
• Программное обеспечение для солнечных фотоэлектрических систем
• Измерение солнечной энергии для фотоэлектрических систем
• Фотоэлектрическая галерея Гумбольдта
• Как распознать поддельные солнечные панели – 5 признаков, на которые следует обратить внимание, чтобы не стать жертвой мошенничества.

Чтобы увидеть полный список внешних ссылок по фотовольтаике, нажмите здесь.

• Пратт, Дуг и Джон Шаффер. Справочник по солнечной энергии. Десятое издание. Невада: издательство Chelsea Green Publishing Company, 1999.