ტექნოლოგიური მიღწევებისა და ინდუსტრიის მასშტაბირების პარალელურად, ფოტოელექტრული (PV) ენერგიის გენერაციის ღირებულება კვლავ მცირდება, რაც მას მომავალში მდგრადი განვითარებისთვის მნიშვნელოვან ენერგიის წყაროდ აქცევს.
ფოტოელექტრული ტექნოლოგიის ძირითადი კომპონენტები
ფოტოელექტრული ენერგიის გენერაციის ტექნოლოგიის ძირითადი კომპონენტი მზის ფოტოელექტრული უჯრედია. მზის ფოტოელექტრული უჯრედების ევოლუცია შეიძლება დაიყოს სამ თაობად. პირველი თაობა შედგება სილიციუმზე დაფუძნებული მზის უჯრედებისგან; მეორე თაობა მოიცავს თხელფენოვან მზის უჯრედებს; ხოლო მესამე თაობა მოიცავს ახალ ტექნოლოგიებს, როგორიცაა მაღალი კონცენტრაციის ფოტოელექტრული (HCPV) უჯრედები, ორგანული მზის უჯრედები, მოქნილი მზის უჯრედები და საღებავით მგრძნობიარე მზის უჯრედები. ამჟამად, სილიციუმზე დაფუძნებული მზის უჯრედები დომინირებენ ბაზარზე, ხოლო თხელფენოვანი უჯრედები თანდათან იკავებენ ბაზრის წილს. მესამე თაობის უჯრედების უმეტესობა, HCPV-ს გარდა, ჯერ კიდევ კვლევის ფაზაშია.
სილიკონზე დაფუძნებული მზის უჯრედები
სილიკონზე დაფუძნებულ მზის უჯრედებს შორის, მონოკრისტალური სილიციუმის ტექნოლოგია ყველაზე განვითარებულია. ამ უჯრედების ეფექტურობასა და ღირებულებაზე ძირითადად გავლენას ახდენს წარმოების პროცესი, რომელიც მოიცავს ისეთ ეტაპებს, როგორიცაა ზოდის ჩამოსხმა, ვაფლის დაჭრა, დიფუზია, ტექსტურირება, ტრაფარეტული ბეჭდვა და სინთეზირება. ამ ჩვეულებრივი პროცესით წარმოებული მზის უჯრედები, როგორც წესი, აღწევენ 16-18%-იან ფოტოელექტრულ გარდაქმნის ეფექტურობას.
მონოკრისტალური სილიციუმის მზის უჯრედებს აქვთ ყველაზე მაღალი გარდაქმნის ეფექტურობა, მაგრამ ასევე ყველაზე ძვირია. პოლიკრისტალური სილიციუმის მზის უჯრედები უზრუნველყოფენ ხარჯების კარგ შემცირებას მასობრივი წარმოებისთვის შესაფერისი დიდი ზომის კვადრატული სილიციუმის ზოდების პირდაპირი წარმოებით. ეს პროცესი უფრო მარტივია, ზოგავს ენერგიას, ზოგავს სილიციუმის მასალას და მოითხოვს მასალის უფრო დაბალ ხარისხს.
მზის უჯრედების ღირებულების შემცირება შესაძლებელია ორი ძირითადი სტრატეგიით: მასალის მოხმარების შემცირებით (მაგ., სილიკონის ვაფლის სისქის შემცირება) და გარდაქმნის ეფექტურობის გაზრდით. ეფექტურობის გაზრდის მეთოდები მოიცავს სინათლის შთანთქმის გაზრდას (მაგ., ზედაპირის ტექსტურირება, ანტირეფლექტორული საფარი, წინა ელექტროდის სიგანის შემცირება), ფოტოგენერირებული მატარებლების რეკომბინაციის შემცირებას (მაგ., ემიტერის პასივაცია) და წინააღმდეგობის მინიმიზაციას (მაგ., ლოკალიზებული დოპირება, უკანა ზედაპირის ველის ტექნოლოგია).
მონოკრისტალური სილიციუმის მზის უჯრედების ყველაზე მაღალი დაფიქსირებული გარდაქმნის ეფექტურობა 24.7%-ია, რაც მიღწეულია ახალი სამხრეთ უელსის უნივერსიტეტის PERL სტრუქტურის მზის უჯრედის მიერ. ძირითადი ტექნოლოგიური მახასიათებლებია სილიციუმის ზედაპირზე ფოსფორის დაბალი დოპინგის კონცენტრაცია ზედაპირის რეკომბინაციის შესამცირებლად, წინა და უკანა ზედაპირის ელექტროდების ქვეშ მაღალი კონცენტრაციის დიფუზია კარგი ომური კონტაქტების შესაქმნელად და ფოტოლიტოგრაფიის გამოყენება წინა ზედაპირის ელექტროდების შევიწროებისთვის, რაც ზრდის სინათლის შთანთქმის არეალს. თუმცა, ეს ტექნოლოგია ჯერ კიდევ არ არის ინდუსტრიალიზებული.
ეფექტურობის გასაუმჯობესებლად სხვა ტექნიკას მიეკუთვნება BP Solar-ის ზედაპირული ღარებიანი ტექსტურირებული უჯრედები და უკუკონტაქტის (EWT) ტექნოლოგია. პირველი აღწევს 18.3%-იან ეფექტურობას ლაზერული ღარების მეშვეობით, რაც ამცირებს წინა ელექტროდების სიგანეს და ზრდის სინათლის შთანთქმას. მეორე აღწევს 21.3%-იან ეფექტურობას წინა ელექტროდების უკან გადაწევით, რაც ზრდის სინათლის შთანთქმის არეალს.
თხელფენოვანი მზის უჯრედები
მიუხედავად იმისა, რომ კრისტალური სილიციუმის მზის უჯრედები დომინირებენ მაღალი ეფექტურობის გამო, მათი ღირებულების მნიშვნელოვნად შემცირება რთულია სილიციუმის მასალის მაღალი ფასის გამო. თხელაფენიანი მზის უჯრედები, რომლებიც ნაკლებ მასალას იყენებენ, ეკონომიურ ალტერნატივად იქცა. თხელაფენიანი უჯრედების ძირითადი ტიპებია სილიციუმზე დაფუძნებული თხელაფენიანი უჯრედები, კადმიუმის ტელურიდის (CdTe) უჯრედები და სპილენძ-ინდიუმის-გალიუმის სელენიდის (CIGS) უჯრედები.
სილიკონზე დაფუძნებული თხელაფენიანი უჯრედები მხოლოდ 2 მიკრომეტრის სისქისაა და კრისტალური სილიციუმის უჯრედებისთვის საჭირო სილიციუმის მასალის დაახლოებით 1.5%-ს იყენებს. PN შეერთებების რაოდენობიდან გამომდინარე, ეს უჯრედები შეიძლება იყოს ერთშეერთებადი, ორშეერთებადი ან მრავალშეერთებადი, რომელთაგან თითოეულს შეუძლია მზის სინათლის სხვადასხვა ტალღის სიგრძის შთანთქმა. ერთშეერთებადი უჯრედების ყველაზე მაღალი ეფექტურობა დაახლოებით 7%-ია, ხოლო ორშეერთებადი უჯრედების ეფექტურობამ შეიძლება 10%-ს მიაღწიოს.
CdTe თხელაფენიანი უჯრედები სინათლის კარგი შთანთქმის თვისებების გამო უფრო მაღალ ეფექტურობას (12%-მდე) გვთავაზობენ. თუმცა, კადმიუმის კანცეროგენული ბუნება და ტელურიუმის შეზღუდული ბუნებრივი მარაგი განვითარების გრძელვადიან გამოწვევებს წარმოადგენს.
CIGS თხელაფენიანი უჯრედები მაღალი ეფექტურობის თხელაფენიანი ტექნოლოგიის მომავალად ითვლება. წარმოების პროცესის რეგულირებით, მათი სინათლის შთანთქმის გაუმჯობესება შესაძლებელია, რაც უფრო მაღალ გარდაქმნის ეფექტურობას იწვევს. ამჟამად, ლაბორატორიული ეფექტურობა 20.1%-ს აღწევს, ხოლო კომერციული პროდუქტების ეფექტურობა 13-14%-ს, რაც მათ თხელაფენიან უჯრედებს შორის ყველაზე ეფექტურს ხდის.
მესამე თაობის უჯრედები
თეორიულად, მესამე თაობის უჯრედებს შეუძლიათ მაღალი გარდაქმნის ეფექტურობის მიღწევა. HCPV-ს გარდა, მათი უმეტესობა ჯერ კიდევ კვლევის ეტაპზეა. HCPV უჯრედები, როგორც წესი, იყენებენ III-V ნახევარგამტარულ მასალებს, რომლებსაც აქვთ უფრო მაღალი თბოგამძლეობა და ინარჩუნებენ მაღალ გარდაქმნის ეფექტურობას მაღალი განათების პირობებში. მრავალჯერადი შეერთების სტრუქტურები საშუალებას აძლევს ამ უჯრედებს მჭიდროდ შეესაბამებოდეს მზის სპექტრს, თეორიული ეფექტურობით 68%-მდე. კომერციული წარმოებით შესაძლებელია 40%-ზე მეტი ეფექტურობის მიღწევა.
მზის ელემენტები მოდულებშია ჩასმული და მათი გამოყენება მათ მახასიათებლებსა და ბაზრის მოთხოვნებზეა დამოკიდებული. ადრეული გამოყენება მოიცავდა საკომუნიკაციო ბაზის სადგურებსა და თანამგზავრებს, მოგვიანებით კი გაფართოვდა საცხოვრებელ ადგილებში, როგორიცაა მზის პანელები სახურავებზე. ამ სცენარებში, შეზღუდული ინსტალაციის ფართობი და მაღალი ენერგიის სიმკვრივის საჭიროებები უპირატესობას ანიჭებდა კრისტალური სილიციუმის მოდულებს. მასშტაბური მზის ელექტროსადგურებისა და შენობებში ინტეგრირებული ფოტოელექტრული სისტემების (BIPV) განვითარებით, ხარჯების გათვალისწინებამ გამოიწვია თხელი ფირის უჯრედების გამოყენების ზრდა. გარემო და კლიმატური პირობები ასევე გავლენას ახდენს სხვადასხვა ტექნოლოგიების დანერგვაზე.
მზის ფოტოელექტრული ტექნოლოგიის გამოყენება
მზის რადიაციის გამოყენებად ელექტროენერგიად გარდასაქმნელად საჭიროა სრული მზის ფოტოელექტრული სისტემა. მზის ფოტოელექტრული უჯრედები ამ სისტემის საფუძველს წარმოადგენს, რომელიც ასევე მოიცავს ინვერტორებს, აკუმულატორებს, მონიტორინგის სისტემებს და განაწილების სისტემებს.
ფოტოელექტრული სისტემის კლასიფიკაცია და შემადგენლობა
მზის ფოტოელექტრული სისტემები კლასიფიცირდება როგორც ქსელიდან გამორთული და ქსელთან დაკავშირებული. ქსელიდან გამორთული სისტემები შეიძლება იყოს დამოუკიდებელი ან ჰიბრიდული.
დამოუკიდებელი სისტემები, როგორც წესი, გამოიყენება შორეულ რაიონებში, საკომუნიკაციო ბაზის სადგურებსა და მზის ენერგიის ქუჩის განათებაში, რომლებიც მთლიანად მზის ენერგიაზეა დამოკიდებული. ისინი მოიცავს მზის მოდულებს, ინვერტორებს, კონტროლერებს, აკუმულატორებს, განაწილების სისტემებს და ელვისებურ დაცვას. აკუმულატორები და კონტროლერები მნიშვნელოვნად მოქმედებს სისტემის ღირებულებასა და სიცოცხლის ხანგრძლივობაზე. ჰიბრიდული სისტემები აერთიანებს მზის ენერგიას სხვა წყაროებთან, როგორიცაა დიზელის გენერატორები ან ქარის ტურბინები.
ქსელთან დაკავშირებული სისტემები, რომლებიც ხშირად გამოიყენება მზის სახურავებისა და მასშტაბური ფოტოელექტრული ელექტროსადგურებისთვის, არ საჭიროებს შენახვის აღჭურვილობას, რაც ამცირებს ხარჯებს. ეს სისტემები მოიცავს მზის მოდულებს, ინვერტორებს, განაწილების სისტემებს, ელვისებურ დაცვას და მონიტორინგის სისტემებს. ამჟამად, ქსელთან დაკავშირებული სისტემები მზის ენერგიის ყველა გამოყენების 80%-ს შეადგენს.
სხვა ფოტოელექტრული ენერგიის გენერაციის ტექნოლოგიები
მზის ფოტოელექტრული უჯრედების ტექნოლოგიის გარდა, ფოტოელექტრული ენერგიის გენერაციის სისტემებისთვის გადამწყვეტი მნიშვნელობა აქვს ინვერტორულ ტექნოლოგიას, ქსელში ინტეგრაციას, შენახვას და ინტელექტუალურ მონიტორინგს:
მზის ელემენტის გამომავალი სიმძლავრე მზის რადიაციის ინტენსივობასთან ერთად იცვლება, რაც იწვევს წყვეტილ მუშაობას. ფართომასშტაბიანი ქსელის ინტეგრაციამ შეიძლება გავლენა მოახდინოს ქსელზე, რაც ქსელის კონტროლს და კუნძულებისგან დაცვას აუცილებელს ხდის.
მზის მოდულის გამომავალი დენი არის მუდმივი დენი (DC), რაც მოითხოვს მაღალი ხარისხის გარდაქმნას ცვლად დენად (AC) ინვერტორების მეშვეობით.
მოდულის გამომავალ სიმძლავრეზე შეიძლება გავლენა იქონიოს ისეთმა ფაქტორებმა, როგორიცაა ტემპერატურა და დაჩრდილვა, რაც სისტემის მონიტორინგისა და სიგნალიზაციის სისტემების აუცილებლობას იწვევს.
დისტანციური მართვის ტექნოლოგია სასიცოცხლოდ მნიშვნელოვანია შორეულ რაიონებში ფოტოელექტრული ელექტროსადგურებისთვის.
ჩინეთი მზის მოდულების წარმოებაში ხარისხისა და მასშტაბის თვალსაზრისით ლიდერობს. ინდუსტრიულ ჯაჭვში მაღალმომგებიანი სფეროებია სილიციუმის გაწმენდა, ინვერტორები, მონიტორინგის სისტემები და ფოტოელექტრული აღჭურვილობის წარმოება. ამ ძირითად სფეროებში გარღვევის მიღწევა ჩინეთის ფოტოელექტრული ინდუსტრიისთვის გამოწვევას წარმოადგენს.
მზის ფოტოელექტრული ენერგიის გენერაციის ამჟამინდელი მდგომარეობა და სამომავლო პერსპექტივები
მაღალი ხარჯების გამო, მზის ფოტოელექტრული ენერგიის გენერაციამ მასშტაბური განვითარება გასული საუკუნის ბოლომდე ვერ ჰპოვა. 21-ე საუკუნის დადგომასთან ერთად, გაუმჯობესებული ეფექტურობითა და სწრაფად შემცირებული ხარჯებით, მზის ფოტოელექტრული ენერგიის გენერაციამ სწრაფი ზრდა განიცადა, დამონტაჟებული სიმძლავრე ყოველწლიურად იზრდებოდა. გლობალური წლიური დამონტაჟებული სიმძლავრე 2000 წლის 1.4 გიგავატიდან 2009 წელს 22.8 გიგავატამდე გაიზარდა. ევროპის ისეთი ქვეყნები, როგორიცაა გერმანია, იტალია და ესპანეთი, ძირითად ბაზრებს წარმოადგენენ, ხოლო ევროკავშირი გეგმავს მზის ენერგიის წილის გაზრდას ელექტროენერგიის მთლიანი მიწოდების 12%-მდე 2020 წლისთვის. განვითარებადმა ქვეყნებმა, როგორიცაა ჩინეთი და ინდოეთი, ასევე დაიწყეს მზის ენერგიის განვითარების გეგმები. საკომუნიკაციო საბაზო სადგურების, მზის სახურავებისა და ფოტოელექტრული ელექტროსადგურების გარდა, მზის ფოტოელექტრული ენერგიის გენერაცია ამჟამად ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა მობილურ მოწყობილობებში.
როგორც დამატებითი და ალტერნატიული ენერგიის წყარო, მზის ფოტოელექტრული ტექნოლოგია სწრაფად ვითარდება, რაც ამცირებს გენერაციის ხარჯებს. მიმდინარე ტექნოლოგიური წინსვლის წყალობით, მზის ენერგია, როგორც სუფთა და განახლებადი რესურსი, მზადაა გახდეს მდგრადი განვითარების ძირითადი ენერგიის წყარო.
