Технологийн дэвшил, салбарын цар хүрээ өргөжихийн хэрээр фотоволтайк (PV) цахилгаан үйлдвэрлэх өртөг буурсаар байгаа нь ирээдүйд тогтвортой хөгжлийн гол эрчим хүчний эх үүсвэр болж байна.
Фотоволтайк технологийн гол бүрэлдэхүүн хэсгүүд
Нарны цахилгаан үйлдвэрлэх технологийн гол бүрэлдэхүүн хэсэг нь нарны фотоэлектрик эс юм. Нарны фотоэлектрик эсийн хувьслыг гурван үед ангилж болно. Эхний үе нь цахиур дээр суурилсан нарны эсүүдээс бүрддэг; хоёр дахь үе нь нимгэн хальсан нарны эсүүдийг агуулдаг; гурав дахь үе нь өндөр концентрацитай фотоэлектрик (HCPV) эсүүд, органик нарны эсүүд, уян хатан нарны эсүүд, будагч бодист мэдрэгжүүлсэн нарны эсүүд зэрэг шинэ технологиудыг хамардаг. Одоогийн байдлаар цахиур дээр суурилсан нарны эсүүд зах зээлд ноёрхож байгаа бол нимгэн хальсан эсүүд аажмаар зах зээлийн эзлэх хувийг эзэлж байна. HCPV-ээс бусад гурав дахь үеийн ихэнх эсүүд судалгааны шатандаа явж байна.
Цахиур дээр суурилсан нарны зай хураагуурууд
Цахиур дээр суурилсан нарны эсүүдийн дунд монокристалл цахиурын технологи хамгийн боловсронгуй нь юм. Эдгээр эсийн үр ашиг, өртөг нь голчлон үйлдвэрлэлийн процессоос хамаардаг бөгөөд үүнд гулдмай цутгах, вафли зүсэх, диффузи, бүтэцлэх, дэлгэц дээр хэвлэх, шатаах зэрэг алхмууд багтдаг. Энэхүү уламжлалт процессоор үйлдвэрлэсэн нарны эсүүд нь ихэвчлэн 16-18% -ийн фотоэлектрик хувиргалтын үр ашгийг хүртдэг.
Монокристалл цахиурын нарны зай хураагуурууд нь хамгийн өндөр хөрвүүлэлтийн үр ашигтай боловч хамгийн үнэтэй нь юм. Поликристалл цахиурын нарны зай хураагуурууд нь массын үйлдвэрлэлд тохиромжтой том хэмжээтэй дөрвөлжин цахиурын гулдмайг шууд үйлдвэрлэснээр зардлыг сайн бууруулдаг. Энэ процесс нь илүү хялбар, эрчим хүч хэмнэж, цахиурын материалыг хэмнэж, материалын чанар бага шаарддаг.
Нарны зай хураагуурын өртгийг бууруулахын тулд хоёр үндсэн стратегийг хэрэгжүүлж болно: материалын хэрэглээг бууруулах (жишээлбэл, цахиурын хавтангийн зузааныг багасгах) болон хөрвүүлэлтийн үр ашгийг нэмэгдүүлэх. Үр ашгийг дээшлүүлэх аргуудад гэрлийн шингээлтийг нэмэгдүүлэх (жишээлбэл, гадаргуугийн бүтэц, тусгалаас хамгаалах бүрхүүл, урд электродын өргөнийг багасгах), фото үүсгэсэн тээвэрлэгчдийн рекомбинацийг бууруулах (жишээлбэл, ялгаруулагч идэвхгүйжүүлэлт), эсэргүүцлийг багасгах (жишээлбэл, орон нутгийн допинг, арын гадаргуугийн талбайн технологи) орно.
Монокристалл цахиурын нарны зайн хамгийн өндөр бүртгэгдсэн хувиргалтын үр ашиг нь 24.7% бөгөөд үүнийг Шинэ Өмнөд Уэльсийн Их Сургуулийн PERL бүтэцтэй нарны зайгаар олж авсан. Технологийн гол онцлогуудад гадаргуугийн рекомбинацийг багасгахын тулд цахиурын гадаргуу дээр фосфорын допинг бага агууламжтай байх, сайн ом холбоо үүсгэхийн тулд урд болон хойд гадаргуугийн электродуудын доор өндөр концентрацитай диффузи хийх, мөн гэрэл шингээх талбайг нэмэгдүүлэхийн тулд урд гадаргуугийн электродуудыг нарийсгахын тулд фотолитографи ашиглах зэрэг орно. Гэсэн хэдий ч энэ технологийг хараахан үйлдвэрлээгүй байна.
Үр ашгийг сайжруулах бусад аргуудад BP Solar-ийн гадаргуугийн ховилтой бүтэцтэй эсүүд болон арын холбоо барих (EWT) технологи орно. Эхнийх нь лазер ховилоор дамжуулан 18.3%-ийн үр ашгийг хүртдэг бөгөөд энэ нь урд электродуудын өргөнийг багасгаж, гэрлийн шингээлтийг нэмэгдүүлдэг. Сүүлийнх нь урд электродуудыг арын хэсэгт авчирч, гэрэл шингээх талбайг нэмэгдүүлснээр 21.3%-ийн үр ашгийг хүртдэг.
Нимгэн хальсан нарны зай
Талст цахиурын нарны зай хураагуурууд нь өндөр үр ашигтай байдгаасаа шалтгаалан давамгайлж байгаа ч цахиурын материалын өндөр үнэтэй тул өртгийг нь мэдэгдэхүйц бууруулах нь бэрхшээлтэй тулгарч байна. Бага материал ашигладаг нимгэн хальсан нарны зай хураагуурууд нь өртөг хэмнэлттэй хувилбар болж гарч ирсэн. Нимгэн хальсан зай хураагууруудын гол төрлүүдэд цахиур дээр суурилсан нимгэн хальсан зай хураагуур, кадмийн теллурид (CdTe) зай хураагуур, зэсийн индий галлий селенид (CIGS) зай хураагуурууд орно.
Цахиур дээр суурилсан нимгэн хальсан эсүүд нь ердөө 2 микрометр зузаантай бөгөөд талст цахиурын эсүүдэд шаардлагатай цахиурын материалын 1.5% орчим хувийг ашигладаг. PN уулзваруудын тооноос хамааран эдгээр эсүүд нь дан уулзвар, давхар уулзвар эсвэл олон уулзвартай байж болох бөгөөд тус бүр нь нарны гэрлийн өөр өөр долгионы уртыг шингээх чадвартай байдаг. Ганц уулзвартай эсүүдийн хамгийн өндөр үр ашиг нь ойролцоогоор 7% байдаг бол давхар уулзвартай эсүүд 10% хүрч болно.
CdTe нимгэн хальсан эсүүд нь гэрлийг сайн шингээх шинж чанартай тул илүү өндөр үр ашигтай (12% хүртэл) байдаг. Гэсэн хэдий ч кадмийн хорт хавдар үүсгэгч шинж чанар болон теллурийн хязгаарлагдмал байгалийн нөөц нь урт хугацааны хөгжлийн бэрхшээлийг бий болгодог.
CIGS нимгэн хальсан эсүүдийг өндөр үр ашигтай нимгэн хальсан технологийн ирээдүй гэж үздэг. Үйлдвэрлэлийн процессыг тохируулснаар тэдгээрийн гэрлийн шингээлтийг сайжруулж, хувиргалтын үр ашгийг нэмэгдүүлэх боломжтой. Одоогийн байдлаар лабораторийн үр ашиг 20.1% -д хүрч байгаа бол арилжааны бүтээгдэхүүнүүд 13-14% -д хүрч байгаа нь нимгэн хальсан эсүүдийн дунд хамгийн үр ашигтай нь юм.
Гурав дахь үеийн эсүүд
Онолын хувьд гурав дахь үеийн эсүүд нь өндөр хувиргалтын үр ашгийг хүртэж чадна. HCPV-ээс бусад ихэнх нь судалгааны шатандаа явж байна. HCPV эсүүд нь ихэвчлэн III-V хагас дамжуулагч материалыг ашигладаг бөгөөд эдгээр нь илүү өндөр дулаан эсэргүүцэлтэй бөгөөд өндөр гэрэлтүүлгийн дор өндөр хувиргалтын үр ашгийг хадгалдаг. Олон уулзвартай бүтэц нь эдгээр эсүүдийг нарны спектртэй нягт уялдуулах боломжийг олгодог бөгөөд онолын үр ашиг нь 68% хүртэл байдаг. Арилжааны үйлдвэрлэл нь 40%-иас дээш үр ашгийг хүртэж чадна.
Нарны зайг модульд багтаасан бөгөөд тэдгээрийн хэрэглээ нь тэдгээрийн шинж чанар, зах зээлийн эрэлтээс хамаарна. Эхний хэрэглээнд холбооны суурь станцууд болон хиймэл дагуулууд багтаж байсан бол хожим нь нарны дээвэр гэх мэт орон сууцны хорооллууд руу өргөжсөн. Эдгээр тохиолдолд хязгаарлагдмал суурилуулах талбай, өндөр эрчим хүчний нягтралын хэрэгцээ нь талст цахиурын модулиудыг илүүд үздэг байв. Том хэмжээний нарны цахилгаан станцууд болон барилгад нэгдсэн фотоволтайк (BIPV) хөгжихийн хэрээр өртгийн талаарх бодол нь нимгэн хальсан зайны хэрэглээ нэмэгдэхэд хүргэсэн. Байгаль орчин, цаг уурын нөхцөл байдал нь янз бүрийн технологийг нэвтрүүлэхэд нөлөөлдөг.
Нарны фотоволтайк технологийн хэрэглээ
Нарны цацрагийг ашиглах боломжтой цахилгаан болгон хувиргахын тулд бүрэн нарны фотоэлектрик систем шаардлагатай. Нарны фотоэлектрик эсүүд нь энэхүү системийн үндэс суурийг бүрдүүлдэг бөгөөд үүнд инвертер, батерей, хяналтын систем, түгээлтийн системүүд багтдаг.
PV системийн ангилал ба найрлага
Нарны гэрэл цахилгаан станцын системийг сүлжээнээс гадуурх эсвэл сүлжээнд холбогдсон гэж ангилдаг. Сүлжээнээс гадуурх системүүд нь дангаараа эсвэл хосолсон байж болно.
Бие даасан системийг ихэвчлэн алслагдсан бүс нутаг, холбооны баазын станцууд болон нарны гудамжны гэрэлтүүлэгт ашигладаг бөгөөд бүхэлдээ нарны эрчим хүчнээс хамаардаг. Үүнд нарны модуль, инвертер, хянагч, батерей, түгээлтийн систем, аянга цахилгаанаас хамгаалах зэрэг орно. Батерей болон хянагч нь системийн өртөг болон ашиглалтын хугацаанд мэдэгдэхүйц нөлөөлдөг. Холимог системүүд нь нарны эрчим хүчийг дизель генератор эсвэл салхин турбин гэх мэт бусад эх үүсвэртэй хослуулдаг.
Нарны дээвэр болон томоохон хэмжээний нарны цахилгаан станцуудад түгээмэл хэрэглэгддэг сүлжээнд холбогдсон системүүд нь хадгалах төхөөрөмж шаарддаггүй тул зардлыг бууруулдаг. Эдгээр системд нарны модуль, инвертер, түгээлтийн систем, аянга хамгаалалт, хяналтын системүүд багтдаг. Одоогийн байдлаар сүлжээнд холбогдсон системүүд нь нарны эрчим хүчний бүх хэрэглээний 80%-ийг эзэлж байна.
Бусад PV цахилгаан үйлдвэрлэх технологиуд
Нарны фотоэлектрик эсийн технологиос гадна инвертер технологи, сүлжээнд нэгтгэх, хадгалах, ухаалаг хяналт нь фотоэлектрик эрчим хүч үйлдвэрлэх системд чухал үүрэгтэй.
Нарны зайны гаралтын чадал нь нарны цацрагийн эрчимээс хамаарч харилцан адилгүй байдаг тул завсарлагатай байдаг. Том хэмжээний сүлжээг нэгтгэх нь сүлжээнд нөлөөлж, сүлжээний хяналт болон арлын хамгаалалтыг зайлшгүй шаардлагатай болгодог.
Нарны модулийн гаралт нь шууд гүйдэл (DC) бөгөөд инвертерээр дамжуулан хувьсах гүйдэл (AC) болгон өндөр чанартай хөрвүүлэх шаардлагатай.
Модулийн гаралтын чадалд температур, сүүдэр зэрэг хүчин зүйлс нөлөөлж болох бөгөөд энэ нь системийн хяналт болон дохиоллын системийг шаарддаг.
Алслагдсан бүс нутагт байрлах фотоэлектрик цахилгаан станцуудад алсын удирдлагатай технологи чухал ач холбогдолтой.
Хятад улс нарны модулийн үйлдвэрлэлд чанар, цар хүрээгээрээ тэргүүлдэг. Салбарын сүлжээнд өндөр ашигтай салбаруудад цахиурын цэвэршүүлэлт, инвертер, хяналтын систем, нарны цахилгаан тоног төхөөрөмжийн үйлдвэрлэл багтдаг. Эдгээр гол салбарт нээлт хийх нь Хятадын нарны цахилгаан үйлдвэрлэлийн хувьд сорилт болж байна.
Нарны цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх өнөөгийн байдал ба ирээдүйн хэтийн төлөв
Өндөр өртөгтэй тул нарны фотоэлектрик цахилгаан үйлдвэрлэл өнгөрсөн зууны төгсгөл хүртэл томоохон хэмжээний хөгжлийг үзүүлээгүй. 21-р зуунд үр ашиг сайжирч, зардал хурдацтай буурч байгаатай холбогдуулан нарны фотоэлектрик цахилгаан үйлдвэрлэл хурдацтай өсч, жил бүр суурилуулсан хүчин чадал нэмэгдэж байна. Дэлхийн жилийн суурилуулсан хүчин чадал 2000 онд 1.4 ГВт байсан бол 2009 онд 22.8 ГВт болж өссөн. Герман, Итали, Испани зэрэг Европын орнууд бол томоохон зах зээл бөгөөд Европын Холбоо 2020 он гэхэд нийт цахилгаан эрчим хүчний хангамжийн нарны эрчим хүчний эзлэх хувийг 12% хүртэл нэмэгдүүлэхээр төлөвлөж байна. Хятад, Энэтхэг зэрэг хөгжиж буй орнууд мөн нарны эрчим хүчний хөгжлийн төлөвлөгөөгөө хэрэгжүүлж эхэлсэн. Харилцаа холбооны суурь станцууд, нарны дээвэр, фотоэлектрик цахилгаан станцуудаас гадна нарны фотоэлектрик цахилгаан үйлдвэрлэлийг одоо янз бүрийн гар утасны төхөөрөмжүүдэд өргөн ашиглаж байна.
Нэмэлт болон өөр эрчим хүчний эх үүсвэр болох нарны фотоэлектрик технологи хурдацтай хөгжиж, үйлдвэрлэлийн зардал буурч байна. Технологийн дэвшлийн үр дүнд цэвэр, сэргээгдэх нөөц болох нарны эрчим хүч нь тогтвортой хөгжлийн гол эрчим хүчний эх үүсвэр болоход бэлэн байна.
