Tobulėjant technologijoms ir plečiantis pramonei, fotovoltinės (FV) energijos gamybos kaina toliau mažėja, todėl ji tampa pagrindiniu tvaraus vystymosi energijos šaltiniu ateityje.
Pagrindiniai fotovoltinės technologijos komponentai
Pagrindinis FV energijos gamybos technologijos komponentas yra saulės FV elementas. Saulės FV elementų evoliuciją galima suskirstyti į tris kartas. Pirmąją kartą sudaro silicio pagrindu pagaminti saulės elementai; antrąją kartą sudaro plonasluoksniai saulės elementai; o trečiąją kartą sudaro naujos technologijos, tokios kaip didelės koncentracijos fotovoltiniai (HCPV) elementai, organiniai saulės elementai, lankstūs saulės elementai ir dažais jautrinti saulės elementai. Šiuo metu rinkoje dominuoja silicio pagrindu pagaminti saulės elementai, o plonasluoksniai elementai pamažu užima vis didesnę rinkos dalį. Dauguma trečiosios kartos elementų, išskyrus HCPV, vis dar yra tyrimų etape.
Silicio pagrindu pagaminti saulės elementai
Iš silicio pagrindu pagamintų saulės elementų monokristalinio silicio technologija yra labiausiai išvystyta. Šių elementų efektyvumą ir kainą daugiausia lemia gamybos procesas, apimantis tokius etapus kaip luitų liejimas, plokštelių pjaustymas, difuzija, tekstūravimas, šilkografija ir sukepinimas. Šiuo įprastu būdu pagamintų saulės elementų fotoelektrinės konversijos efektyvumas paprastai siekia 16–18 %.
Monokristalinio silicio saulės elementai pasižymi didžiausiu konversijos efektyvumu, tačiau yra ir brangiausi. Polikristalinio silicio saulės elementai suteikia gerą sąnaudų sumažinimą, nes iš jų tiesiogiai gaminami dideli kvadratiniai silicio luitai, tinkami masinei gamybai. Šis procesas yra paprastesnis, taupo energiją, silicio medžiagą ir reikalauja žemesnės medžiagos kokybės.
Saulės elementų kainą galima sumažinti dviem pagrindinėmis strategijomis: mažinant medžiagų sunaudojimą (pvz., mažinant silicio plokštelės storį) ir didinant konversijos efektyvumą. Efektyvumo didinimo metodai apima šviesos sugerties didinimą (pvz., paviršiaus tekstūravimą, antirefleksinę dangą, priekinio elektrodo pločio mažinimą), fotogeneruotų krūvininkų rekombinacijos mažinimą (pvz., emiterio pasyvavimą) ir varžos mažinimą (pvz., lokalizuotą legiravimą, galinio paviršiaus lauko technologiją).
Didžiausias užfiksuotas monokristalinio silicio saulės elementų konversijos efektyvumas yra 24,7 %, jį pasiekė PERL struktūros saulės elementas iš Naujojo Pietų Velso universiteto. Pagrindinės technologinės savybės apima mažą fosforo legiravimo koncentraciją silicio paviršiuje, siekiant sumažinti paviršiaus rekombinaciją, didelę koncentracijos difuziją po priekinio ir galinio paviršiaus elektrodais, siekiant sudaryti gerus ominius kontaktus, ir fotolitografijos naudojimą priekinio paviršiaus elektrodams susiaurinti, padidinant šviesos sugerties plotą. Tačiau ši technologija dar nėra industrializuota.
Kiti efektyvumo didinimo būdai yra „BP Solar“ paviršiaus grioveliais tekstūruoti elementai ir galinio kontakto (EWT) technologija. Pirmuoju atveju pasiekiamas 18,3 % efektyvumas dėl lazerinio griovelių formavimo, kuris sumažina priekinių elektrodų plotį ir padidina šviesos absorbciją. Antruoju atveju pasiekiamas 21,3 % efektyvumas, priekinius elektrodus perkeliant į galą, taip padidinant šviesą sugeriantį plotą.
Plonasluoksnės saulės baterijos
Nors kristalinio silicio saulės elementai dominuoja dėl didelio efektyvumo, dėl didelės silicio medžiagos kainos jų kainą gerokai sumažinti yra sudėtinga. Plonasluoksniai saulės elementai, kuriems reikia mažiau medžiagų, atsirado kaip ekonomiška alternatyva. Pagrindiniai plonasluoksnių elementų tipai yra silicio pagrindu pagaminti plonasluoksniai elementai, kadmio telūrido (CdTe) elementai ir vario indžio galio selenido (CIGS) elementai.
Silicio pagrindu pagaminti plonasluoksniai elementai yra tik 2 mikrometrų storio ir juose sunaudojama apie 1,5 % kristalinio silicio elementams reikalingos silicio medžiagos. Priklausomai nuo PN sandūrų skaičiaus, šie elementai gali būti viengubos, dvigubos arba daugiagubos sandūros, kurių kiekvienas gali sugerti skirtingo ilgio saulės šviesą. Didžiausias viengubos sandūros elementų efektyvumas yra apie 7 %, o dvigubos sandūros elementų – iki 10 %.
CdTe plonasluoksnės ląstelės pasižymi didesniu efektyvumu (iki 12 %) dėl gerų šviesos sugerties savybių. Tačiau kadmio kancerogeninis pobūdis ir riboti natūralūs telūro rezervai kelia ilgalaikių plėtros iššūkių.
CIGS plonasluoksnės ląstelės laikomos didelio efektyvumo plonasluoksnių technologijų ateitimi. Koreguojant gamybos procesą, galima pagerinti jų šviesos sugertį, o tai padidina konversijos efektyvumą. Šiuo metu laboratorinių gaminių efektyvumas siekia 20,1 %, o komercinių gaminių – 13–14 %, todėl jos yra efektyviausios tarp plonasluoksnių ląstelių.
Trečiosios kartos ląstelės
Teoriškai trečios kartos elementai gali pasiekti didelį konversijos efektyvumą. Išskyrus HCPV, dauguma jų vis dar yra tyrimų stadijoje. HCPV elementuose paprastai naudojamos III-V puslaidininkinės medžiagos, kurios pasižymi didesniu atsparumu karščiui ir išlaiko aukštą konversijos efektyvumą esant stipriam apšvietimui. Daugiasandrės struktūros leidžia šiems elementams tiksliai atitikti saulės spektrą, o teorinis efektyvumas siekia iki 68 %. Komercinė gamyba gali pasiekti didesnį nei 40 % efektyvumą.
Saulės elementai yra įkapsuliuoti į modulius, o jų taikymas priklauso nuo jų savybių ir rinkos poreikių. Ankstyvosios taikymo sritys buvo ryšio bazinės stotys ir palydovai, vėliau jos išsiplėtė į gyvenamuosius rajonus, pavyzdžiui, saulės baterijų stogus. Tokiais atvejais ribotas įrengimo plotas ir didelis energijos tankio poreikis buvo palankesni kristalinio silicio moduliams. Tobulėjant didelio masto saulės elektrinėms ir pastatuose integruotoms fotovoltinėms sistemoms (BIPV), dėl sąnaudų išaugo plonasluoksnių elementų taikymas. Aplinkos ir klimato sąlygos taip pat turi įtakos skirtingų technologijų diegimui.
Saulės fotovoltinės technologijos taikymas
Norint saulės spinduliuotę paversti tinkama naudoti elektros energija, reikia visapusiškos saulės fotovoltinės sistemos. Saulės fotovoltiniai elementai sudaro šios sistemos pagrindą, kurią taip pat sudaro keitikliai, baterijos, stebėjimo sistemos ir paskirstymo sistemos.
PV sistemos klasifikacija ir sudėtis
Saulės fotovoltinės sistemos skirstomos į autonomines arba prie tinklo prijungtas. Autonominės sistemos gali būti autonominės arba hibridinės.
Autonominės sistemos paprastai naudojamos atokiose vietovėse, ryšio bazinėse stotyse ir saulės gatvių apšvietime, visiškai pasikliaujant saulės energija. Jos apima saulės modulius, keitiklius, valdiklius, baterijas, paskirstymo sistemas ir žaibosaugą. Baterijos ir valdikliai daro didelę įtaką sistemos kainai ir tarnavimo laikui. Hibridinės sistemos derina saulės energiją su kitais šaltiniais, tokiais kaip dyzeliniai generatoriai ar vėjo turbinos.
Prie tinklo prijungtos sistemos, dažniausiai naudojamos saulės baterijų stogams ir didelio masto fotovoltinėms elektrinėms, nereikalauja kaupimo įrangos, todėl sumažėja išlaidos. Šios sistemos apima saulės modulius, keitiklius, paskirstymo sistemas, žaibosaugos ir stebėjimo sistemas. Šiuo metu prie tinklo prijungtos sistemos sudaro 80 % visų saulės energijos pritaikymų.
Kitos PV energijos gamybos technologijos
Be saulės fotovoltinių elementų technologijos, fotovoltinės energijos gamybos sistemoms labai svarbios keitiklių technologijos, tinklo integravimas, kaupimas ir išmanus stebėjimas:
Saulės elementų išėjimo galia kinta priklausomai nuo saulės spinduliuotės intensyvumo, todėl atsiranda pertrūkių. Didelio masto tinklo integracija gali paveikti tinklą, todėl tinklo valdymas ir apsauga nuo izoliacijos yra būtini.
Saulės modulių išvestis yra nuolatinė srovė (DC), todėl reikia aukštos kokybės konvertavimo į kintamąją srovę (AC) naudojant keitiklius.
Modulio galią gali paveikti tokie veiksniai kaip temperatūra ir šešėliavimas, todėl reikalingos sistemos stebėjimo ir signalizacijos sistemos.
Nuotolinio valdymo technologija yra gyvybiškai svarbi atokiose vietovėse esančioms fotovoltinėms elektrinėms.
Kinija pirmauja saulės modulių gamyboje pagal kokybę ir mastą. Didelį pelną generuojančios pramonės grandinės sritys apima silicio valymą, keitiklius, stebėjimo sistemas ir FV įrangos gamybą. Pasiekti proveržį šiose pagrindinėse srityse yra iššūkis Kinijos FV pramonei.
Saulės fotovoltinės energijos gamybos dabartinė padėtis ir ateities perspektyvos
Dėl didelių sąnaudų saulės fotovoltinės energijos gamyba didelio masto neišplėtojo iki praėjusio amžiaus pabaigos. Įžengus į XXI amžių, pagerėjus efektyvumui ir sparčiai mažėjant sąnaudoms, saulės fotovoltinės energijos gamyba sparčiai augo, o įrengta galia kasmet didėjo. Pasaulinė metinė įrengta galia išaugo nuo 1,4 GW 2000 m. iki 22,8 GW 2009 m. Tokios Europos šalys kaip Vokietija, Italija ir Ispanija yra pagrindinės rinkos, o ES planuoja iki 2020 m. padidinti saulės energijos dalį iki 12 % visos elektros energijos tiekimo. Besivystančios šalys, tokios kaip Kinija ir Indija, taip pat pradėjo vykdyti saulės energijos plėtros planus. Be ryšių bazinių stočių, saulės baterijų stogų ir fotovoltinių elektrinių, saulės fotovoltinė energija dabar plačiai naudojama įvairiuose mobiliuosiuose įrenginiuose.
Saulės fotovoltinių elementų technologija, kaip papildomas ir alternatyvus energijos šaltinis, sparčiai vystosi, o gamybos sąnaudos mažėja. Tobulėjant technologijoms, saulės energija, kaip švarus ir atsinaujinantis išteklius, yra pasirengusi tapti pagrindiniu energijos šaltiniu tvariam vystymuisi.
