خورشید در یک ساعت چقدر انرژی می تواند تامین کند؟ همانطور که هر کسی که در حین حمام آفتاب به خواب رفته است می تواند تأیید کند، کافی است ردی از خود به جای بگذارد. بر اساس مقاله ای که توسط آزمایشگاه ملی ساندیا منتشر شده است، میانگین توان خورشیدی روی سطح زمین 174.7 وات بر متر مربع است.
این مقدار را در مساحت سطح زمین ضرب کنید (4πr2، جایی که r تقریباً 6378 کیلومتر است) و سپس دوباره در 60 دقیقه (یعنی 3600 ثانیه) و پاسخ خود را داریم: در یک ساعت، خورشید حدود 3.21 x 1020 ژول انرژی به زمین این معادل 76841 مگاتن TNT است. در کمتر از دو ساعت، خورشید انرژی بیشتری نسبت به کل سیاره مورد استفاده در تمام سال 2017 فراهم می کند.
به طور خلاصه، با بهبود بهره وری، فناوری تولید انرژی خورشیدی می تواند پتانسیل قابل توجهی به عنوان یک منبع انرژی داشته باشد.
همچنین میتوانید کاوش در میدان مغناطیسی خورشید با تکنولوژی solmex را بخوانید
در این مقاله، فناوریهای نوظهور در منابع انرژی خورشیدی مورد بحث قرار میگیرد که میتواند کارایی فنی و اقتصادی این منبع را افزایش داده و در نتیجه محبوبیت آن را افزایش دهد. فنآوریهای در حال توسعه این پتانسیل را دارند که در آینده جایگزین فناوری سیلیکون کریستالی غالب (c-Si) شوند و کارایی سلولهای فتوولتائیک (PV) را به طور قابلتوجهی افزایش دهند.
در گذشته فناوری خورشیدی گران و نسبتاً ناکارآمد بوده است. پیشرفت های تکنولوژیکی در بیست سال گذشته کارایی آن را به میزان قابل توجهی افزایش داده و هزینه های آن را کاهش داده است. این منجر به رشد سریع ظرفیت انرژی خورشیدی شد.
هزینه های سیستم انرژی خورشیدی کمتر از نصف 20 سال پیش است. با این حال، انرژی خورشیدی همچنان به حمایت و مشوق های دولتی نیاز دارد تا بتواند از نظر مالی با منابع انرژی تجاری رقابت کند. علاوه بر این، کارایی سلولهای c-Si که معمولاً مورد استفاده قرار میگیرند در حال حاضر نزدیک به حداکثر تئوری خود است که نیاز به فناوری جدید را تحمیل میکند. بر اساس سناریوهای جهانی IHS Markit، تنها 5 درصد از کل ظرفیت تولید در 10 کشور برتر رتبه بندی از انرژی خورشیدی تامین شده است (شکل 1).
شکل 1 : ظرفیت تولید 2019 در GW، رتبه بندی 10 کشور برتر
فنآوریهای جدید خورشیدی آینده با کاهش هزینهها و افزایش کارایی آن، نوید رشد استفاده از انرژی خورشیدی را میدهند. موثرترین روش استفاده از انرژی خورشیدی، توزیع انرژی خورشیدی است، مانند برق تولید شده توسط خانوارهای دارای سیستم های پشت بام. مالکان انفرادی که از تولید پراکنده خورشیدی استفاده می کنند، برق را برای مصارف خود تولید می کنند و تولید برق اضافی به یک شرکت برق فروخته می شود.
تولید انرژی خورشیدی پراکنده دارای مزایای بی شماری از جمله: انرژی پاک است. مقرون به صرفه است؛ و بار تولید شبکه را کاهش میدهد و زیرساختهای مورد نیاز برای تأسیسات انتقال و توزیع و غیره را کاهش میدهد. با این حال، بسیاری از مهندسان شاغل در صنعت تولید برق هنگام مطالعه این مطلب دچار تنبلی میشوند، زیرا تولید برق پراکنده در بسیاری از زمینهها به دلیل روشهای مختلف دارای چالشهایی است. بسیاری از شبکه های برق امروزی راه اندازی شده اند.
طراحی سلول PV خورشیدی
سلول های خورشیدی حاوی مواد جذب کننده انرژی نور هستند و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. مواد نیمه هادی سلول با تفاوت بین دوسطح انرژی تعریف می شود: باند ظرفیت و نوار هدایت. باند ظرفیت کم انرژی حاوی الکترون هایی با بار منفی است، در حالی که نوار رسانایی با انرژی بالاتر خالی است. هنگامی که الکترون ها توسط فوتون هایی با انرژی بیشتر از فاصله باند برخورد می کنند، می توانند انرژی کافی را جذب کنند تا از نوار ظرفیت به نوار رسانایی برانگیخته شوند و یک جفت الکترون-حفره تولید کنند.
یک پتانسیل الکتروشیمیایی داخلی جفت الکترون-حفره را جدا می کند و باعث جریان الکترون ها و حفره ها می شود که جریان الکتریکی ایجاد می کند. پتانسیل الکتروشیمیایی داخلی توسط دوپینگ نیمه هادی ایجاد می شود، جایی که یک قسمت از رابط نیمه هادی با الکترون دهنده ها (دپینگ نوع n) و قسمت دیگر با گیرنده های الکترون (دوپینگ نوع p) دوپ شده است که یک اتصال p-n ایجاد می کند.
شکل 2 : طراحی پایه سلول PV
کارایی
بازده سلول خورشیدی محدود است زیرا صرف نظر از انرژی فوتون فقط یک الکترون می تواند توسط یک فوتون برانگیخته شود. مشابه محدودیتهای نیروگاههای بادی برای حداکثر بازده نظری (که طبق قانون بتز 16/27 (59.3%)، سلولهای PV خورشیدی نیز حداکثر بازده محدودی دارند که به عنوان حد شاکلی-کویسر شناخته میشود.
حداکثر راندمان تبدیل خورشیدی یک سلول خورشیدی با یک اتصال p-n منفرد تقریباً 33.7٪ است که در فاصله باند 1.34 eV به دست می آید. این حد (اوج نمودار از شکل 3) به طور تجربی با ترکیب مواد با شکاف های باند مختلف در سلول های خورشیدی پشت سر هم به دست می آید. شکل 3 وابستگی کارایی سلول به شکاف باند را نشان می دهد. فاصله باند بالا مانع از ایجاد اثر PV توسط فوتون ها می شود.
در مورد شکاف باند کم، انرژی فوتون بیشتر از انرژی لازم برای تحریک الکترون ها در سراسر شکاف باند است و انرژی اضافی هدر می رود. نیمه هادی هایی که معمولا استفاده می شوند دارای مقادیر فاصله باند هستند که نزدیک به اوج نمودار کارایی قرار می گیرند (به عنوان مثال سیلیکون (1.1 eV) ).
شکل 3: راندمان سلول خورشیدی در مقابل شکاف باند مواد برای یک سلول اتصال p-n
محدودیت ذکر شده فقط برای یک سلول خورشیدی با یک اتصال p-n منفرد اعمال می شود. حداکثر بازده را می توان با استفاده از سلول های خورشیدی پشت سر هم با چندین لایه افزایش داد. از نظر تئوری یک سلول خورشیدی پشت سر هم با تعداد بینهایت لایه میتواند با استفاده از نور متمرکز خورشید به بازده ۸۶.۸ درصدی برسد. سلول های خورشیدی چند پیوندی از مواد نیمه هادی مختلفی ساخته شده اند که اتصالات p-n متعدد با شکاف های باند متعدد را تشکیل می دهند. مواد مختلف طول موج های مختلف نور را جذب می کنند و برای هر بخش از طیف بهینه می شوند.
فناوری های نوظهور می توانند مقرون به صرفه بودن را افزایش دهند
برای تحمیل یک فناوری جدید به بازار، باید الزامات اقتصادی و فنی برآورده شود. این فناوری باید کارآمدتر باشد، اما همچنان با فناوریهای موجود در حال حاضر از نظر قیمت رقابت کند. فنآوریهای جدید PV که میتوانند جایگزین c-Si شوند عبارتند از: فتوولتائیک متمرکز، سلولهای کوانتومی، پروسکایت، سلولهای چند پیوندی، فتوولتائیک آلی، تلورید کادمیوم، ایندیم مس گالیوم سلنید (CIGS) و گرافن. سه فناوری اول ذکر شده امیدوارکننده ترین آنها هستند.
فتوولتائیک متمرکز
سیستمهای PV متمرکز (CPV)، مشابه تلسکوپها، حاوی عدسیها و آینههای منحنی هستند که نور را روی سلولهای خورشیدی چند اتصالی متمرکز میکنند. آنها همچنین شامل فناوری ردیابی خورشیدی هستند که جذب موثرتر نور خورشید را فراهم می کند. سیستم های CPV با نسبت بزرگنمایی گسترده ای را می توان طراحی کرد. آنها در سه کلاس دسته بندی می شوند:
غلظت کم (LCPV)، نسبت بزرگنمایی کمتر از 10X است.
غلظت متوسط (MCPV)، نسبت بزرگنمایی بین 10X و 150X.
غلظت بالا، نسبت بزرگنمایی بالای 150X، معمولا کمتر از 1000X.
با توجه به آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر (NREL)، CPV بهترین کارایی سلول های تحقیقاتی PV را دارد. در سال 2014، موسسه Fraunhofer برای سیستم های انرژی خورشیدی با موفقیت یک CPV چند اتصالی با راندمان 46٪ توسعه داد.
حداکثر راندمان c-Si که تاکنون به دست آمده 27.6 درصد (با نور خورشید متمرکز) و تقریباً 15 درصد در استفاده تجاری بوده است. با توجه به کارایی سلول، CPV این پتانسیل را دارد که فناوری آینده باشد. راندمان بالای سلول هزینه واحد کمتری را فراهم می کند، زیرا برای تولید همان پیک وات برق (Wp – توان خروجی تولید شده توسط سلول خورشیدی تحت تابش کامل خورشید) به سطح کمتری نیاز دارد، بنابراین تعداد سلول های مورد نیاز کاهش می یابد.
حداکثر پتانسیل فناوری CPV را می توان با استفاده از سلول های خورشیدی چند اتصالی غیر متعارف به دست آورد. سلولهای چند اتصالی از چندین ماده مختلف استفاده میکنند که در چندین لایه چیده شدهاند (سلولهای خورشیدی تک پیوندی معمولی از یک لایه از یک نوع ماده ساخته میشوند).
اگرچه این فناوری در سال 1983 آزمایش شد، اما هرگز به استفاده تجاری انبوه دست یافت. CPV به اجزای گران قیمت نیاز دارد، مانند ماژول های ردیابی خورشیدی که دقیقاً سلول ها را مستقیماً به سمت خورشید هدایت می کند، که در نهایت پیچیدگی طراحی و تعادل هزینه های سیستم را افزایش می دهد (BoS – از جمله تمام اجزای یک سیستم PV).
این سیستم PV فقط در مناطقی با تابش مستقیم خورشیدی بالا مناسب است که بازار بالقوه آن را محدود می کند. با این حال، راندمان بالای آن برای بازارهایی که تابش معمولی مستقیم در آنها بالاتر است، مانند خاورمیانه، شمال آفریقا و استرالیا، امیدوارکننده است.
فتوولتائیک نقطه کوانتومی
این طرح سلول خورشیدی PV از نقاط کوانتومی (نانوکریستال های نیمه هادی) به عنوان جذب مواد PV به جای مواد حجیم مانند سیلیکون، مس ایندیم گالیوم سلنید (CIGS)، یا تلورید کادمیوم (CdTe) استفاده می کند. ویژگی متمایز این فناوری، شکاف های باند قابل تنظیم است. در حالی که مواد فله معمولی دارای شکافهای باند ثابت هستند، بانگپهای سلولی نقطه کوانتومی با تغییر اندازه نقاط کوانتومی در طیف وسیعی از سطوح انرژی قابل تنظیم هستند.
شکاف باند را می توان بدون تغییر مواد یا تکنیک های ساخت تغییر داد. این ویژگی باعث می شود که فناوری نقطه کوانتومی برای سلول های خورشیدی چند اتصالی جذاب باشد. نقاط کوانتومی را می توان به عنوان یک اتصال در یک سلول چند پیوندی استفاده کرد و انرژی خورشیدی اضافی را که معمولاً به عنوان گرما از دست می رود، جذب می کند. شکافهای باند پایینتر برای تولید الکتریسیته از فوتونهایی با انرژی کمتر مناسبتر هستند (و بالعکس).
اگرچه این فناوری به عنوان یک فناوری کلیدی آینده برای صنعت خورشیدی شناخته شده است، سلول های خورشیدی نقطه کوانتومی هنوز در مقیاس انبوه از نظر تجاری قابل دوام نیستند، بیشتر به دلیل راندمان پایین، که می تواند تنها به 8٪ برسد. با این حال، کارایی تنها پارامتر تعیین کننده کارایی هزینه نیست. طراحی نقطه کوانتومی را می توان با فناوری های مهم موجود ترکیب کرد و در نتیجه کارایی آنها را بهبود بخشید. این ویژگی امکان تبدیل شدن به یک فناوری آینده را باز می کند.
پروسکایت
نوع سلول خورشیدی پروسکایت (PSC) شامل یک ترکیب ساختاری پروسکایتی (یک ماده ترکیبی آلی- معدنی سرب یا مواد مبتنی بر هالید قلع) به عنوان لایه فعال برداشت نور است. این مواد دارای ضریب جذب بالایی هستند و اولتراث را ارائه می دهند