V tomto blogovom príspevku zhrnieme princípy a účinnosť výroby solárnej energie, porovnáme ju s inými metódami výroby energie a prediskutujeme budúce smery vývoja.

úvod

Vo všetkých aspektoch nášho každodenného života používame rôzne formy elektrickej energie. Keďže konvenčné zdroje energie, ako je uhlie, ropa a urán, sú obmedzené a problém ich vyčerpania sa stáva realitou, zintenzívnilo sa úsilie o diverzifikáciu metód výroby energie. Jednou z takýchto metód je výroba solárnej energie.
V Južnej Kórei je rozvoj solárnej energie pomalší ako v iných krajinách kvôli geografickým charakteristikám krajiny. Avšak s tým, ako do odvetvia solárnej energie nedávno vstúpili významní výrobcovia ocele a ďalšie spoločnosti, sa začínajú objavovať hmatateľné výsledky. Tento článok skúma základné princípy a účinnosť výroby solárnej energie, porovnáva ju s inými alternatívnymi zdrojmi energie a skúma budúce technologické a politické perspektívy.

Účinnosť výroby solárnej energie

Výroba solárnej energie je technológia, ktorá priamo premieňa slnečné svetlo na elektrickú energiu; slnečné svetlo spúšťa fotovoltaický efekt v polovodičoch a iných materiáloch, čím sa generuje elektrický prúd. Systém na výrobu solárnej energie pozostáva zo modulov zložených zo solárnych článkov, batérií a zariadení na konverziu energie (invertorov).
Solárne články sú navrhnuté tak, aby generovali elektróny a diery, keď je slnečné svetlo absorbované štruktúrou, ktorá kombinuje polovodiče typu N a typu P s rôznymi elektrickými vlastnosťami, a aby umožnili tok prúdu, keď je pripojené externé zaťaženie. Hoci existujú typy, ako sú selénové fotovoltaické články a fotovoltaické články zo síranu meďnatého, ktoré využívajú kontakty kov-polovodič, väčšina komerčne dostupných solárnych článkov dnes používa štruktúru pn prechodu na báze kremíka.
Solárne články sa všeobecne delia na kryštalické kremíkové solárne články a tenkovrstvové solárne články. Kryštalický kremík, ktorý sa vyrába narezaním bloku kremíka na tenké doštičky, tvorí významnú časť trhu, zatiaľ čo tenkovrstvové solárne články sa vyrábajú nanesením tenkej vrstvy na plastový alebo sklenený substrát. Typ tenkej vrstvy sa líši v závislosti od materiálov použitých na substrát a samotnú vrstvu.
V súčasnosti sa účinnosť konverzie praktických solárnych článkov vo všeobecnosti pohybuje od 5 % do 20 %. Medzi hlavné straty energie v solárnych článkoch patria straty povrchovým odrazom, neabsorpcia v infračervenej oblasti, energia, ktorá je absorbovaná, ale nemôže byť využitá, a straty spôsobené sériovým odporom a únikom. Pre porovnanie, zatiaľ čo straty povrchovým odrazom a neabsorpciou v kryštalických kremíkových solárnych článkoch sú približne 26 %, toto číslo je vyššie pre tenkovrstvové solárne články, približne 41 %. Naopak, podiel absorbovanej, ale nevyužiteľnej energie sa uvádza na približne 49 % v kryštalickom kremíku a približne 42 % v tenkovrstvových článkoch. Ostatné straty, ako napríklad sériový odpor a únik, sa odhadujú na približne 7 % pre kryštalický kremík a približne 6 % pre tenkovrstvové články.
Za štandardných podmienok (teplota okolia 25 °C, ožiarenie 1 000 W/m²) je výstupný výkon na jednotku plochy solárneho článku približne 100 W. Účinnosť systému sa však znižuje, ak dôjde k čiastočnému zatieneniu alebo ak sa zvýši povrchová teplota solárnych článkov. Typické rozsahy účinnosti článkov sú 7 – 8 % pre tenkovrstvové, 11 – 13 % pre polykryštalický kremík, 14 – 15 % pre monokryštalický kremík a 17 – 19 % pre hybridné články.
Medzi výhody výroby solárnej energie patrí skutočnosť, že zdroj energie je čistý a prakticky neobmedzený. Dá sa inštalovať na požadovaných miestach v požadovanom množstve, údržba je relatívne jednoduchá a je možná bezobslužná prevádzka. Má tiež dlhú životnosť, čo ponúka dlhodobé výhody. Na druhej strane, nevýhody zahŕňajú skutočnosť, že výroba energie vo veľkej miere závisí od regionálnych úrovní slnečného žiarenia a nízka hustota energie si vyžaduje veľkú inštalačnú plochu. Miesta inštalácie sú obmedzené úrovňami slnečného žiarenia a vysoké počiatočné investičné náklady a náklady na výrobu sú tiež významnými nevýhodami, ktoré nemožno ignorovať.
V porovnaní s inými alternatívnymi zdrojmi energie má každá metóda svoje vlastné charakteristiky. Geotermálna energia využíva teplo z vnútra Zeme, takže existuje malé riziko vyčerpania a ponúka výhodu v tom, že umožňuje vedľajšie podnikanie, ako sú horúce pramene a cestovný ruch. Je však ťažké ju uplatniť v regiónoch bez geotermálnych zdrojov a na využitie hlboko ukladajúcich sa podzemných zdrojov je potrebný technologický rozvoj.
Bioenergia má bohaté zdroje a environmentálne výhody, ako je zníženie emisií skleníkových plynov, a možno ju použiť na výrobu rôznych produktov, ako sú palivá a chemikálie; medzi jej hlavné nevýhody však patria náklady na zber a spracovanie zdrojov, riziko poškodenia životného prostredia a vysoké investičné náklady na zariadenia.
Energia oceánov (prílivová, vlnová a oceánska termálna energia) ponúka obrovské energetické zdroje, ale výber lokality je náročný, náklady na inštaláciu sú veľmi vysoké a výroba prílivovej energie môže spôsobiť environmentálne problémy, ako je poškodenie prílivových plôch.
Veterná energia je vysoko ekonomická v regiónoch s vhodnými veternými podmienkami, má relatívne nízke náklady na inštaláciu a vyžaduje si minimálnu údržbu. Avšak v oblastiach, kde sú smer a rýchlosť vetra nekonzistentné, je výroba energie nestabilná, takže na dosiahnutie efektívnych výsledkov je potrebné nainštalovať viacero zariadení.

Súčasný stav a budúcnosť výroby solárnej energie

Technologický rozvoj a jeho prijatie v konečnom dôsledku závisia od finančnej podpory a industrializačných kapacít. V minulosti investovala do sektora solárnej energie vláda aj súkromný sektor a úsilie o zabezpečenie kľúčových technológií pokračovalo prostredníctvom rôznych projektov. Napríklad v rokoch 1988 až 2010 sa v sektore solárnej energie realizovalo množstvo projektov, ktorých výsledkom boli investície v celkovej výške niekoľko miliárd wonov.
Kryštalické kremíkové solárne články už dosiahli štádium komercializácie prostredníctvom výskumu systematizácie, zatiaľ čo polykryštalické kremíkové tenkovrstvové články síce zabezpečili základnú technológiu, ale čelia pomalej komercializácii kvôli investíciám do veľkoplošných a nízkonákladových výrobných zariadení. Tenkovrstvové solárne články na báze zlúčenín (napr. CdTe, CuInSe2 atď.) ponúkajú výhodu vysokej účinnosti, ale zabezpečenie technológií na zníženie nákladov a veľkovýrobu zostáva výzvou.
Domáce spoločnosti a výskumné inštitúcie tiež vyvíjajú technológie a produkty súvisiace so solárnou energiou. Niektoré spoločnosti vyrábajú solárne články a moduly a prebieha aj vývoj komerčných produktov v sektore invertorov a akumulátorových batérií. Výskumné inštitúcie pokračujú vo svojom výskume zameranom na štandardizáciu systémov výroby solárnej energie a zabezpečenie základných technológií. Tieto priemyselné a výskumné pokroky budú slúžiť ako hnacia sila pre urýchlenie komercializácie v budúcnosti.
Na prekonanie obmedzení účinnosti je potrebné zvážiť integráciu s inými technológiami, a nie sa spoliehať výlučne na solárnu fotovoltaiku. Solárna fotovoltaika (FV) a solárna termálna energia sa môžu dopĺňať využitím rôznych vlastností slnečného žiarenia. Solárne termálne systémy pozostávajú zo zberu, akumulácie a využitia tepla a používajú sa na vykurovanie, chladenie a ohrev teplej vody v budovách. V závislosti od typu kolektora existujú rôzne metódy, ako napríklad ploché, parabolické a koncentrované systémy. V súčasnosti nie je integrácia jednoduchá kvôli rozdielom v zariadení a prevádzkových metódach medzi týmito dvoma oblasťami, ale existuje potenciál pre užšiu integráciu v budúcnosti prostredníctvom technologických riešení, ako sú polovodiče.
Ďalšou doplnkovou technológiou je výskum jadrovej fúzie (tokamak). Ak sa jadrová fúzia komerčne využije, mohla by riešiť problémy s prerušovanosťou spôsobenou sezónnymi a regionálnymi výkyvmi slnečného žiarenia a mohla by zohrať úlohu pri prekonávaní obmedzení obnoviteľnej energie zabezpečením stabilného dodávky energie do rozsiahlych sietí. Jadrová fúzia je však stále vo fáze výskumu a vývoja a jej komercializácia si vyžiada čas.
Celkovo sa technológia solárnej energie uberá smerom k zlepšenej účinnosti a nižším nákladom. Očakáva sa, že konkurencieschopnosť domáceho sektora solárnej energie sa výrazne zlepší, ak sa účinne integruje podpora vládnej politiky, investície do priemyslu a výskum a vývoj.

Záver

Hoci má výroba solárnej energie výhody relatívne jednoduchých princípov, bohatých zdrojov a šetrnosti k životnému prostrediu, v súčasnosti má obmedzenia v tom, že by mohla okamžite nahradiť rozsiahle dodávky energie poskytované tradičnými tepelnými a jadrovými elektrárňami.
Výzvy pretrvávajú, vrátane zlepšovania efektívnosti, znižovania nákladov, riešenia obmedzení inštalačného priestoru a riadenia sezónnej a slnečnej ožiarenia.
Ak sa však podarí dosiahnuť vládne a súkromné ​​podporné politiky, technologický rozvoj a integrácia s inými obnoviteľnými zdrojmi energie, ako je napríklad solárna termálna energia, je veľmi pravdepodobné, že sa solárna energia etabluje ako kľúčový budúci zdroj energie. Predovšetkým jej potenciál pre využitie ako distribuovaného zdroja energie, napríklad na strechách obytných domov, je vysoký a prispeje k diverzifikácii budúcej energetickej štruktúry.
Hoci sa tento článok zameral na solárnu energiu, náš energetický systém sa môže stať udržateľnejším iba vtedy, ak sa rozvíjajú aj rôzne ďalšie nové a obnoviteľné technológie energie. Tešíme sa na zlepšenie týchto technológií a ich využitie spôsobmi, ktoré zvýšia kvalitu života.