ટેકનોલોજીકલ પ્રગતિ અને ઉદ્યોગના સ્કેલિંગ સાથે, ફોટોવોલ્ટેઇક (PV) વીજ ઉત્પાદનનો ખર્ચ સતત ઘટી રહ્યો છે, જે તેને ભવિષ્યમાં ટકાઉ વિકાસ માટે એક મુખ્ય ઉર્જા સ્ત્રોત તરીકે સ્થાન આપે છે.
ફોટોવોલ્ટેઇક ટેકનોલોજીના મુખ્ય ઘટકો
પીવી પાવર જનરેશન ટેકનોલોજીનો મુખ્ય ઘટક સોલાર પીવી સેલ છે. સોલાર પીવી સેલના ઉત્ક્રાંતિને ત્રણ પેઢીઓમાં વર્ગીકૃત કરી શકાય છે. પ્રથમ પેઢીમાં સિલિકોન-આધારિત સૌર કોષોનો સમાવેશ થાય છે; બીજી પેઢીમાં પાતળા-ફિલ્મ સૌર કોષોનો સમાવેશ થાય છે; અને ત્રીજી પેઢીમાં ઉચ્ચ-સાંદ્રતા ફોટોવોલ્ટેઇક (HCPV) કોષો, કાર્બનિક સૌર કોષો, લવચીક સૌર કોષો અને રંગ-સંવેદનશીલ સૌર કોષો જેવી નવી તકનીકોનો સમાવેશ થાય છે. હાલમાં, સિલિકોન-આધારિત સૌર કોષો બજારમાં પ્રભુત્વ ધરાવે છે, જ્યારે પાતળા-ફિલ્મ કોષો ધીમે ધીમે બજાર હિસ્સો મેળવી રહ્યા છે. HCPV સિવાય મોટાભાગના ત્રીજી પેઢીના કોષો હજુ પણ સંશોધન તબક્કામાં છે.
સિલિકોન આધારિત સૌર કોષો
સિલિકોન-આધારિત સૌર કોષોમાં, મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન ટેકનોલોજી સૌથી પરિપક્વ છે. આ કોષોની કાર્યક્ષમતા અને કિંમત મુખ્યત્વે ઉત્પાદન પ્રક્રિયાથી પ્રભાવિત થાય છે, જેમાં ઇન્ગોટ કાસ્ટિંગ, વેફર સ્લાઇસિંગ, ડિફ્યુઝન, ટેક્સચરિંગ, સ્ક્રીન પ્રિન્ટિંગ અને સિન્ટરિંગ જેવા પગલાં શામેલ છે. આ પરંપરાગત પ્રક્રિયા દ્વારા ઉત્પાદિત સૌર કોષો સામાન્ય રીતે 16-18% ની ફોટોઇલેક્ટ્રિક રૂપાંતર કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત કરે છે.
મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન સોલાર સેલ્સમાં રૂપાંતર કાર્યક્ષમતા સૌથી વધુ હોય છે પરંતુ તે સૌથી મોંઘા પણ હોય છે. પોલીક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન સોલાર સેલ મોટા પાયે ઉત્પાદન માટે યોગ્ય મોટા કદના ચોરસ સિલિકોન ઇંગોટ્સનું સીધું ઉત્પાદન કરીને ખર્ચમાં સારો ઘટાડો આપે છે. આ પ્રક્રિયા સરળ છે, વીજળી બચાવે છે, સિલિકોન સામગ્રીનું સંરક્ષણ કરે છે અને ઓછી સામગ્રી ગુણવત્તાની જરૂર પડે છે.
સૌર કોષોનો ખર્ચ ઘટાડવો બે મુખ્ય વ્યૂહરચનાઓ દ્વારા પ્રાપ્ત કરી શકાય છે: સામગ્રીનો વપરાશ ઘટાડવો (દા.ત., સિલિકોન વેફરની જાડાઈ ઘટાડવી) અને રૂપાંતર કાર્યક્ષમતામાં વધારો. કાર્યક્ષમતા વધારવા માટેની પદ્ધતિઓમાં પ્રકાશ શોષણ વધારવું (દા.ત., સપાટીનું ટેક્સચરિંગ, પ્રતિબિંબ વિરોધી કોટિંગ, આગળના ઇલેક્ટ્રોડની પહોળાઈ ઘટાડવી), ફોટોજનરેટેડ કેરિયર્સનું પુનઃસંયોજન ઘટાડવું (દા.ત., ઉત્સર્જક પેસિવેશન), અને પ્રતિકાર ઘટાડવો (દા.ત., સ્થાનિક ડોપિંગ, પાછળની સપાટી ક્ષેત્ર તકનીક)નો સમાવેશ થાય છે.
મોનોક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન સોલાર સેલ માટે સૌથી વધુ રેકોર્ડ કરેલ રૂપાંતર કાર્યક્ષમતા 24.7% છે, જે યુનિવર્સિટી ઓફ ન્યુ સાઉથ વેલ્સ દ્વારા PERL સ્ટ્રક્ચર સોલાર સેલ દ્વારા પ્રાપ્ત થઈ છે. મુખ્ય તકનીકી લાક્ષણિકતાઓમાં સપાટીના પુનઃસંયોજનને ઘટાડવા માટે સિલિકોન સપાટી પર ઓછી ફોસ્ફરસ ડોપિંગ સાંદ્રતા, સારા ઓમિક સંપર્કો બનાવવા માટે આગળ અને પાછળની સપાટીના ઇલેક્ટ્રોડ હેઠળ ઉચ્ચ-સાંદ્રતા પ્રસરણ અને આગળની સપાટીના ઇલેક્ટ્રોડને સાંકડી કરવા માટે ફોટોલિથોગ્રાફીનો ઉપયોગ, પ્રકાશ શોષણ ક્ષેત્રને વધારવાનો સમાવેશ થાય છે. જો કે, આ ટેકનોલોજીનું હજુ સુધી ઔદ્યોગિકીકરણ થયું નથી.
કાર્યક્ષમતા સુધારવા માટેની અન્ય તકનીકોમાં બીપી સોલારની સરફેસ ગ્રુવ્ડ ટેક્ષ્ચર્ડ સેલ્સ અને બેક-કોન્ટેક્ટ (EWT) ટેકનોલોજીનો સમાવેશ થાય છે. પહેલો લેસર ગ્રુવિંગ દ્વારા 18.3% ની કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત કરે છે, જે આગળના ઇલેક્ટ્રોડ્સની પહોળાઈ ઘટાડે છે અને પ્રકાશ શોષણ વધારે છે. બાદમાં આગળના ઇલેક્ટ્રોડ્સને પાછળ લાવીને, પ્રકાશ શોષક વિસ્તાર વધારીને 21.3% ની કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત કરે છે.
પાતળા-ફિલ્મ સૌર કોષો
જ્યારે સ્ફટિકીય સિલિકોન સૌર કોષો તેમની ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાને કારણે પ્રભુત્વ ધરાવે છે, ત્યારે સિલિકોન સામગ્રીની ઊંચી કિંમતને કારણે તેમની કિંમતમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો કરવો પડકારજનક છે. પાતળા-ફિલ્મ સૌર કોષો, જે ઓછી સામગ્રીનો ઉપયોગ કરે છે, તે ખર્ચ-અસરકારક વિકલ્પ તરીકે ઉભરી આવ્યા છે. પાતળા-ફિલ્મ કોષોના મુખ્ય પ્રકારોમાં સિલિકોન-આધારિત પાતળા-ફિલ્મ કોષો, કેડમિયમ ટેલ્યુરાઇડ (CdTe) કોષો અને કોપર ઇન્ડિયમ ગેલિયમ સેલેનાઇડ (CIGS) કોષોનો સમાવેશ થાય છે.
સિલિકોન-આધારિત પાતળા-ફિલ્મ કોષો ફક્ત 2 માઇક્રોમીટર જાડા હોય છે, જે સ્ફટિકીય સિલિકોન કોષો માટે જરૂરી સિલિકોન સામગ્રીના લગભગ 1.5% નો ઉપયોગ કરે છે. PN જંકશનની સંખ્યાના આધારે, આ કોષો સિંગલ-જંકશન, ડબલ-જંકશન અથવા મલ્ટિ-જંકશન હોઈ શકે છે, દરેક સૂર્યપ્રકાશની વિવિધ તરંગલંબાઇને શોષી લેવામાં સક્ષમ છે. સિંગલ-જંકશન કોષો માટે સૌથી વધુ કાર્યક્ષમતા લગભગ 7% છે, જ્યારે ડબલ-જંકશન કોષો 10% સુધી પહોંચી શકે છે.
CdTe પાતળા-ફિલ્મ કોષો તેમના સારા પ્રકાશ શોષણ ગુણધર્મોને કારણે ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા (12% સુધી) પ્રદાન કરે છે. જો કે, કેડમિયમની કાર્સિનોજેનિક પ્રકૃતિ અને ટેલુરિયમના મર્યાદિત કુદરતી ભંડાર લાંબા ગાળાના વિકાસ પડકારો ઉભા કરે છે.
CIGS પાતળા-ફિલ્મ કોષોને ઉચ્ચ-કાર્યક્ષમતા પાતળા-ફિલ્મ ટેકનોલોજીનું ભવિષ્ય માનવામાં આવે છે. ઉત્પાદન પ્રક્રિયાને સમાયોજિત કરીને, તેમના પ્રકાશ શોષણમાં સુધારો કરી શકાય છે, જેનાથી ઉચ્ચ રૂપાંતર કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત થાય છે. હાલમાં, પ્રયોગશાળા કાર્યક્ષમતા 20.1% સુધી પહોંચે છે, જ્યારે વ્યાપારી ઉત્પાદનો 13-14% પ્રાપ્ત કરે છે, જે તેમને પાતળા-ફિલ્મ કોષોમાં સૌથી કાર્યક્ષમ બનાવે છે.
ત્રીજી પેઢીના કોષો
સૈદ્ધાંતિક રીતે, ત્રીજી પેઢીના કોષો ઉચ્ચ રૂપાંતર કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત કરી શકે છે. HCPV સિવાય, મોટાભાગના હજુ પણ સંશોધન તબક્કામાં છે. HCPV કોષો સામાન્ય રીતે III-V સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીનો ઉપયોગ કરે છે, જેમાં ઉચ્ચ ગરમી પ્રતિકાર હોય છે અને ઉચ્ચ પ્રકાશ હેઠળ ઉચ્ચ રૂપાંતર કાર્યક્ષમતા જાળવી રાખે છે. મલ્ટી-જંકશન માળખાં આ કોષોને સૌર સ્પેક્ટ્રમ સાથે નજીકથી મેળ ખાવાની મંજૂરી આપે છે, જેમાં સૈદ્ધાંતિક કાર્યક્ષમતા 68% સુધી હોય છે. વાણિજ્યિક ઉત્પાદન 40% થી વધુ કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત કરી શકે છે.
સૌર કોષોને મોડ્યુલોમાં સમાવિષ્ટ કરવામાં આવે છે, અને તેમના ઉપયોગો તેમની લાક્ષણિકતાઓ અને બજારની માંગ પર આધાર રાખે છે. શરૂઆતના ઉપયોગોમાં સંચાર બેઝ સ્ટેશન અને ઉપગ્રહોનો સમાવેશ થતો હતો, જે પછીથી સૌર છત જેવા રહેણાંક વિસ્તારોમાં વિસ્તર્યો. આ પરિસ્થિતિઓમાં, મર્યાદિત સ્થાપન વિસ્તારો અને ઉચ્ચ ઉર્જા ઘનતાની જરૂરિયાતોને કારણે સ્ફટિકીય સિલિકોન મોડ્યુલોને પ્રોત્સાહન મળ્યું. મોટા પાયે સૌર ઉર્જા પ્લાન્ટ અને બિલ્ડિંગ-ઇન્ટિગ્રેટેડ ફોટોવોલ્ટેઇક્સ (BIPV) ના વિકાસ સાથે, ખર્ચને ધ્યાનમાં રાખીને પાતળા-ફિલ્મ સેલ એપ્લિકેશનોમાં વધારો થયો છે. પર્યાવરણીય અને આબોહવાની પરિસ્થિતિઓ પણ વિવિધ તકનીકોના અપનાવવાને પ્રભાવિત કરે છે.
સૌર ફોટોવોલ્ટેઇક ટેકનોલોજીના ઉપયોગો
સૌર કિરણોત્સર્ગને ઉપયોગી વીજળીમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે સંપૂર્ણ સૌર પીવી સિસ્ટમની જરૂર છે. સૌર પીવી કોષો આ સિસ્ટમનો પાયો બનાવે છે, જેમાં ઇન્વર્ટર, બેટરી, મોનિટરિંગ સિસ્ટમ્સ અને વિતરણ સિસ્ટમ્સનો પણ સમાવેશ થાય છે.
પીવી સિસ્ટમ વર્ગીકરણ અને રચના
સોલાર પીવી સિસ્ટમ્સને ઓફ-ગ્રીડ અથવા ગ્રીડ-ટાઈડ તરીકે વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે. ઓફ-ગ્રીડ સિસ્ટમ્સ સ્ટેન્ડઅલોન અથવા હાઇબ્રિડ હોઈ શકે છે.
સ્વતંત્ર સિસ્ટમનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે દૂરના વિસ્તારો, સંદેશાવ્યવહાર બેઝ સ્ટેશનો અને સૌર સ્ટ્રીટલાઇટ્સમાં થાય છે, જે સંપૂર્ણપણે સૌર ઉર્જા પર આધાર રાખે છે. તેમાં સૌર મોડ્યુલ, ઇન્વર્ટર, કંટ્રોલર, બેટરી, વિતરણ પ્રણાલી અને વીજળી સુરક્ષાનો સમાવેશ થાય છે. બેટરી અને કંટ્રોલર સિસ્ટમના ખર્ચ અને આયુષ્ય પર નોંધપાત્ર અસર કરે છે. હાઇબ્રિડ સિસ્ટમ્સ સૌર ઉર્જાને ડીઝલ જનરેટર અથવા પવન ટર્બાઇન જેવા અન્ય સ્ત્રોતો સાથે જોડે છે.
ગ્રીડ-ટાઈડ સિસ્ટમ્સ, જે સામાન્ય રીતે સોલાર રૂફટોપ્સ અને મોટા પાયે પીવી પાવર પ્લાન્ટ્સ માટે ઉપયોગમાં લેવાય છે, તેને સ્ટોરેજ સાધનોની જરૂર પડતી નથી, જેના કારણે ખર્ચ ઓછો થાય છે. આ સિસ્ટમ્સમાં સોલાર મોડ્યુલ્સ, ઇન્વર્ટર, વિતરણ સિસ્ટમ્સ, વીજળી સુરક્ષા અને મોનિટરિંગ સિસ્ટમ્સનો સમાવેશ થાય છે. હાલમાં, ગ્રીડ-ટાઈડ સિસ્ટમ્સ તમામ સોલાર એપ્લિકેશન્સમાં 80% હિસ્સો ધરાવે છે.
અન્ય પીવી પાવર જનરેશન ટેકનોલોજીઓ
સોલાર પીવી સેલ ટેકનોલોજી ઉપરાંત, ઇન્વર્ટર ટેકનોલોજી, ગ્રીડ ઇન્ટિગ્રેશન, સ્ટોરેજ અને ઇન્ટેલિજન્ટ મોનિટરિંગ પીવી પાવર જનરેશન સિસ્ટમ્સ માટે મહત્વપૂર્ણ છે:
સૌર કોષની આઉટપુટ શક્તિ સૌર કિરણોત્સર્ગની તીવ્રતા સાથે બદલાય છે, જેના કારણે વિરામ થાય છે. મોટા પાયે ગ્રીડ એકીકરણ ગ્રીડને અસર કરી શકે છે, જેના કારણે ગ્રીડ નિયંત્રણ અને ટાપુઓનું રક્ષણ આવશ્યક બને છે.
સૌર મોડ્યુલનું આઉટપુટ ડાયરેક્ટ કરંટ (DC) છે, જેને ઇન્વર્ટર દ્વારા ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા વૈકલ્પિક કરંટ (AC) માં રૂપાંતરની જરૂર પડે છે.
મોડ્યુલ પાવર આઉટપુટ તાપમાન અને શેડિંગ, સિસ્ટમ મોનિટરિંગ અને એલાર્મ સિસ્ટમ્સની જરૂરિયાત જેવા પરિબળોથી પ્રભાવિત થઈ શકે છે.
દૂરના વિસ્તારોમાં પીવી પાવર પ્લાન્ટ માટે રિમોટ કંટ્રોલ ટેકનોલોજી મહત્વપૂર્ણ છે.
ગુણવત્તા અને સ્કેલની દ્રષ્ટિએ ચીન સૌર મોડ્યુલ ઉત્પાદનમાં આગળ છે. ઉદ્યોગ શૃંખલામાં ઉચ્ચ નફાકારક ક્ષેત્રોમાં સિલિકોન શુદ્ધિકરણ, ઇન્વર્ટર, મોનિટરિંગ સિસ્ટમ્સ અને પીવી સાધનોનું ઉત્પાદન શામેલ છે. આ મુખ્ય ક્ષેત્રોમાં સફળતા પ્રાપ્ત કરવી એ ચીનના પીવી ઉદ્યોગ માટે એક પડકાર છે.
સોલાર પીવી પાવર જનરેશનની વર્તમાન સ્થિતિ અને ભવિષ્યની સંભાવનાઓ
ઊંચા ખર્ચને કારણે, સોલાર પીવી પાવર ઉત્પાદનમાં છેલ્લી સદીના અંત સુધી મોટા પાયે વિકાસ જોવા મળ્યો ન હતો. 21મી સદીમાં પ્રવેશતા, સુધારેલી કાર્યક્ષમતા અને ઝડપથી ઘટતા ખર્ચ સાથે, સોલાર પીવી પાવર ઉત્પાદનમાં ઝડપી વૃદ્ધિ જોવા મળી છે, સ્થાપિત ક્ષમતા વાર્ષિક ધોરણે વધી રહી છે. વૈશ્વિક વાર્ષિક સ્થાપિત ક્ષમતા 2000 માં 1.4 GW થી વધીને 2009 માં 22.8 GW થઈ ગઈ છે. જર્મની, ઇટાલી અને સ્પેન જેવા યુરોપિયન દેશો મુખ્ય બજારો છે, જેમાં EU 2020 સુધીમાં કુલ વીજળી પુરવઠામાં સૌર ઉર્જાનો હિસ્સો 12% સુધી વધારવાની યોજના બનાવી રહ્યું છે. ચીન અને ભારત જેવા વિકાસશીલ દેશોએ પણ સૌર વિકાસ યોજનાઓ શરૂ કરી છે. કોમ્યુનિકેશન બેઝ સ્ટેશન, સૌર છત અને પીવી પાવર પ્લાન્ટ ઉપરાંત, સૌર પીવી પાવર ઉત્પાદન હવે વિવિધ મોબાઇલ ઉપકરણોમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે.
પૂરક અને વૈકલ્પિક ઉર્જા સ્ત્રોત તરીકે, સૌર પીવી ટેકનોલોજી ઝડપથી વિકાસ પામી રહી છે, અને ઉત્પાદન ખર્ચમાં ઘટાડો થઈ રહ્યો છે. ચાલુ ટેકનોલોજીકલ પ્રગતિ સાથે, સ્વચ્છ અને નવીનીકરણીય સંસાધન તરીકે સૌર ઉર્જા, ટકાઉ વિકાસ માટે મુખ્ય ઉર્જા સ્ત્રોત બનવા માટે તૈયાર છે.
