Արևային ֆոտովոլտային տեխնոլոգիայի զարգացում

Տեխնոլոգիական առաջընթացի և արդյունաբերության մասշտաբավորման հետ մեկտեղ, ֆոտովոլտային (PV) էներգիայի արտադրության արժեքը շարունակում է նվազել՝ այն դիրքավորելով որպես ապագայում կայուն զարգացման կարևորագույն էներգիայի աղբյուր։

Ֆոտովոլտային տեխնոլոգիայի հիմնական բաղադրիչները
Արևային ֆոտովոլտային էներգիայի արտադրության տեխնոլոգիայի հիմնական բաղադրիչը արևային ֆոտովոլտային մարտկոցն է: Արևային ֆոտովոլտային մարտկոցների էվոլյուցիան կարելի է բաժանել երեք սերնդի: Առաջին սերունդը բաղկացած է սիլիցիումային հիմքով արևային մարտկոցներից, երկրորդ սերունդը ներառում է բարակ թաղանթային արևային մարտկոցներ, իսկ երրորդ սերունդը ներառում է նոր տեխնոլոգիաներ, ինչպիսիք են բարձր կոնցենտրացիայի ֆոտովոլտային (HCPV) մարտկոցները, օրգանական արևային մարտկոցները, ճկուն արևային մարտկոցները և ներկանյութերի նկատմամբ զգայունացված արևային մարտկոցները: Ներկայումս սիլիցիումային հիմքով արևային մարտկոցները գերիշխում են շուկայում, մինչդեռ բարակ թաղանթային մարտկոցները աստիճանաբար գրավում են շուկայի մասնաբաժինը: Երրորդ սերնդի մարտկոցների մեծ մասը, բացառությամբ HCPV-ի, դեռևս գտնվում է հետազոտության փուլում:

Սիլիցիումի վրա հիմնված արևային մարտկոցներ

Սիլիցիումի վրա հիմնված արևային մարտկոցների շարքում մոնոբյուրեղային սիլիցիումի տեխնոլոգիան ամենազարգացածն է: Այս մարտկոցների արդյունավետությունն ու արժեքը հիմնականում կախված են արտադրական գործընթացից, որը ներառում է այնպիսի քայլեր, ինչպիսիք են ձուլակտորների ձուլումը, վաֆլիների կտրումը, դիֆուզիան, տեքստուրավորումը, էկրանային տպագրությունը և սինտերացումը: Այս ավանդական գործընթացով արտադրված արևային մարտկոցները սովորաբար հասնում են 16-18% ֆոտոէլեկտրական փոխակերպման արդյունավետության:

Մոնոբյուրեղային սիլիցիումային արևային մարտկոցներն ունեն ամենաբարձր փոխակերպման արդյունավետությունը, բայց նաև ամենաթանկն են: Բազմաբյուրեղային սիլիցիումային արևային մարտկոցները լավ ծախսերի կրճատում են ապահովում՝ ուղղակիորեն արտադրելով մեծ չափի քառակուսի սիլիցիումային ձուլակտորներ, որոնք հարմար են զանգվածային արտադրության համար: Այս գործընթացը ավելի պարզ է, խնայում է էներգիա, խնայում է սիլիցիումային նյութը և պահանջում է ավելի ցածր որակի նյութ:

Արեգակնային մարտկոցների արժեքի նվազեցմանը կարելի է հասնել երկու հիմնական ռազմավարության միջոցով՝ նյութի սպառման նվազեցում (օրինակ՝ սիլիցիումային թիթեղի հաստության նվազեցում) և փոխակերպման արդյունավետության բարձրացում: Արդյունավետությունը բարձրացնելու մեթոդներից են լույսի կլանման մեծացումը (օրինակ՝ մակերեսային հյուսվածքավորում, հակաանդրադարձնող ծածկույթ, առջևի էլեկտրոդի լայնության նվազեցում), լուսաստեղծված կրիչների վերամիավորման նվազեցումը (օրինակ՝ ճառագայթիչի պասիվացում) և դիմադրության նվազագույնի հասցնելը (օրինակ՝ տեղայնացված խառնուրդ, հետին մակերեսային դաշտի տեխնոլոգիա):

Մոնոկրիստալային սիլիցիումային արևային մարտկոցների ամենաբարձր գրանցված փոխակերպման արդյունավետությունը 24.7% է, որը ձեռք է բերվել Նոր Հարավային Ուելսի համալսարանի PERL կառուցվածքի արևային մարտկոցի կողմից: Հիմնական տեխնոլոգիական առանձնահատկություններից են սիլիցիումի մակերեսին ֆոսֆորի ցածր կոնցենտրացիան՝ մակերեսային վերամիավորումը նվազեցնելու համար, առջևի և հետևի մակերեսային էլեկտրոդների տակ բարձր կոնցենտրացիայի դիֆուզիան՝ լավ օհմիկ շփումներ ստեղծելու համար, և ֆոտոլիտոգրաֆիայի օգտագործումը՝ առջևի մակերեսային էլեկտրոդները նեղացնելու համար, ինչը մեծացնում է լույսի կլանման մակերեսը: Այնուամենայնիվ, այս տեխնոլոգիան դեռևս չի արդյունաբերականացվել:

Արդյունավետությունը բարելավելու այլ մեթոդներից են BP Solar-ի մակերեսային ակոսավոր հյուսվածքային բջիջները և հետադարձ շփման (EWT) տեխնոլոգիան: Առաջինը հասնում է 18.3% արդյունավետության լազերային ակոսավորման միջոցով, որը նվազեցնում է առջևի էլեկտրոդների լայնությունը և մեծացնում լույսի կլանումը: Վերջինս հասնում է 21.3% արդյունավետության՝ առջևի էլեկտրոդները հետ բերելով, ինչը մեծացնում է լույսի կլանման մակերեսը:

Բարակ թաղանթային արևային մարտկոցներ

Թեև բյուրեղային սիլիցիումային արևային մարտկոցները գերիշխում են իրենց բարձր արդյունավետության շնորհիվ, դրանց արժեքի զգալիորեն կրճատումը մարտահրավեր է սիլիցիումային նյութի բարձր գնի պատճառով: Բարակ թաղանթային արևային մարտկոցները, որոնք օգտագործում են ավելի քիչ նյութ, դարձել են ծախսարդյունավետ այլընտրանք: Բարակ թաղանթային մարտկոցների հիմնական տեսակներն են սիլիցիումային հիմքով բարակ թաղանթային մարտկոցները, կադմիումի տելուրիդային (CdTe) մարտկոցները և պղնձի-ինդիում-գալիումի սելենիդի (CIGS) մարտկոցները:

Սիլիցիումի վրա հիմնված բարակ թաղանթային բջիջները ունեն ընդամենը 2 միկրոմետր հաստություն՝ օգտագործելով բյուրեղային սիլիցիումային բջիջների համար անհրաժեշտ սիլիցիումային նյութի մոտ 1.5%-ը: Կախված PN միացումների քանակից՝ այս բջիջները կարող են լինել միա-միացում, կրկնակի-միացում կամ բազմա-միացում, որոնցից յուրաքանչյուրը կարող է կլանել արևի լույսի տարբեր ալիքի երկարություններ: Միա-միացումային բջիջների ամենաբարձր արդյունավետությունը կազմում է մոտ 7%, մինչդեռ կրկնակի-միացումային բջիջները կարող են հասնել 10%-ի:

CdTe բարակ թաղանթային բջիջները ապահովում են ավելի բարձր արդյունավետություն (մինչև 12%)՝ լույսի լավ կլանման հատկությունների շնորհիվ: Այնուամենայնիվ, կադմիումի քաղցկեղածին բնույթը և թելուրիումի սահմանափակ բնական պաշարները երկարաժամկետ զարգացման մարտահրավերներ են առաջացնում:

CIGS բարակ թաղանթային բջիջները համարվում են բարձր արդյունավետության բարակ թաղանթային տեխնոլոգիայի ապագան: Արտադրական գործընթացը կարգավորելու միջոցով կարելի է բարելավել դրանց լույսի կլանումը, ինչը հանգեցնում է փոխակերպման ավելի բարձր արդյունավետության: Ներկայումս լաբորատոր արդյունավետությունը հասնում է 20.1%-ի, մինչդեռ առևտրային արտադրանքը հասնում է 13-14%-ի, ինչը դրանք դարձնում է բարակ թաղանթային բջիջների շարքում ամենաարդյունավետը:

Երրորդ սերնդի բջիջներ

Տեսականորեն, երրորդ սերնդի մարտկոցները կարող են հասնել բարձր փոխակերպման արդյունավետության: Բացառությամբ HCPV-ի, դրանց մեծ մասը դեռևս գտնվում է հետազոտության փուլում: HCPV մարտկոցները սովորաբար օգտագործում են III-V կիսահաղորդչային նյութեր, որոնք ունեն ավելի բարձր ջերմակայունություն և պահպանում են բարձր փոխակերպման արդյունավետություն բարձր լուսավորության պայմաններում: Բազմահանգույց կառուցվածքները թույլ են տալիս այս մարտկոցներին մոտիկից համապատասխանել արեգակնային սպեկտրին՝ մինչև 68% տեսական արդյունավետությամբ: Առևտրային արտադրությունը կարող է հասնել 40%-ից բարձր արդյունավետության:

Արևային մարտկոցները փաթեթավորված են մոդուլների մեջ, և դրանց կիրառումը կախված է դրանց բնութագրերից և շուկայի պահանջարկից: Սկզբնական կիրառությունները ներառում էին կապի բազային կայաններ և արբանյակներ, որոնք հետագայում ընդլայնվեցին բնակելի տարածքներում, ինչպիսիք են արևային տանիքները: Այս սցենարներում սահմանափակ տեղադրման տարածքները և բարձր էներգիայի խտության կարիքները նախապատվությունը տվեցին բյուրեղային սիլիցիումային մոդուլներին: Մեծածավալ արևային էլեկտրակայանների և շենքերում ինտեգրված ֆոտովոլտային (BIPV) զարգացման հետ մեկտեղ, ծախսերի նկատառումները հանգեցրել են բարակ թաղանթային մարտկոցների կիրառման աճի: Շրջակա միջավայրի և կլիմայական պայմանները նույնպես ազդում են տարբեր տեխնոլոգիաների ներդրման վրա:

Արևային ֆոտովոլտային տեխնոլոգիայի կիրառությունները

Արեգակնային ճառագայթումը օգտագործելի էլեկտրաէներգիայի փոխակերպելու համար անհրաժեշտ է ամբողջական արևային ֆոտովոլտային համակարգ: Այս համակարգի հիմքը կազմում են արևային ֆոտովոլտային մարտկոցները, որոնք ներառում են նաև ինվերտորներ, մարտկոցներ, մոնիթորինգի համակարգեր և բաշխման համակարգեր:

Ֆոտովոլտային համակարգի դասակարգումը և կազմը

Արևային ֆոտովոլտային համակարգերը դասակարգվում են որպես ցանցից անջատված կամ ցանցին միացված։ Ցանցից անջատված համակարգերը կարող են լինել ինքնուրույն կամ հիբրիդ։

Անկախ համակարգերը սովորաբար օգտագործվում են հեռավոր տարածքներում, կապի բազային կայաններում և արևային փողոցային լուսավորության համակարգերում՝ ամբողջությամբ հենվելով արևային էներգիայի վրա: Դրանք ներառում են արևային մոդուլներ, ինվերտորներ, կարգավորիչներ, մարտկոցներ, բաշխման համակարգեր և կայծակնային պաշտպանություն: Մարտկոցներն ու կարգավորիչները զգալիորեն ազդում են համակարգի արժեքի և կյանքի տևողության վրա: Հիբրիդային համակարգերը համատեղում են արևային էներգիան այլ աղբյուրների հետ, ինչպիսիք են դիզելային գեներատորները կամ քամու տուրբինները:

Ցանցին միացված համակարգերը, որոնք սովորաբար օգտագործվում են արևային տանիքների և խոշորածավալ ֆոտովոլտային էլեկտրակայանների համար, չեն պահանջում կուտակիչ սարքավորումներ, ինչը նվազեցնում է ծախսերը: Այս համակարգերը ներառում են արևային մոդուլներ, ինվերտորներ, բաշխման համակարգեր, կայծակնային պաշտպանություն և մոնիթորինգի համակարգեր: Ներկայումս ցանցին միացված համակարգերը կազմում են արևային բոլոր կիրառությունների 80%-ը:

Այլ ֆոտովոլտային էներգիայի արտադրության տեխնոլոգիաներ

Բացի արևային ֆոտովոլտային մարտկոցների տեխնոլոգիայից, ֆոտովոլտային էներգիայի արտադրության համակարգերի համար կարևորագույն նշանակություն ունեն ինվերտորային տեխնոլոգիան, ցանցային ինտեգրումը, էներգիայի կուտակումը և ինտելեկտուալ մոնիթորինգը։

Արեգակնային մարտկոցների ելքային հզորությունը տատանվում է արեգակնային ճառագայթման ինտենսիվության հետ, ինչը հանգեցնում է անկանոնությունների: Մեծածավալ ցանցային ինտեգրումը կարող է ազդել ցանցի վրա, ինչը կարևոր է դարձնում ցանցի կառավարումը և կղզյակներից պաշտպանությունը:
Արևային մոդուլի ելքային հզորությունը հաստատուն հոսանք է (DC), որը պահանջում է բարձրորակ փոխակերպում փոփոխական հոսանքի (AC)՝ ինվերտորների միջոցով։
Մոդուլի ելքային հզորության վրա կարող են ազդել ջերմաստիճանի և ստվերի նման գործոններ, ինչը անհրաժեշտ է դարձնում համակարգի մոնիթորինգի և ահազանգման համակարգերը։
Հեռակառավարման տեխնոլոգիան կենսական նշանակություն ունի հեռավոր տարածքներում գտնվող ֆոտովոլտային էլեկտրակայանների համար։
Չինաստանը առաջատարն է արևային մոդուլների արտադրության մեջ որակի և մասշտաբի առումով: Արդյունաբերական շղթայի բարձր շահույթ բերող ոլորտներից են սիլիցիումի մաքրումը, ինվերտորները, մոնիթորինգի համակարգերը և ֆոտովոլտային սարքավորումների արտադրությունը: Այս հիմնական ոլորտներում առաջընթացի հասնելը մարտահրավեր է Չինաստանի ֆոտովոլտային արդյունաբերության համար:

Արևային ֆոտովոլտային էներգիայի արտադրության ներկայիս վիճակը և ապագա հեռանկարները