V tej objavi na blogu bomo povzeli načela in učinkovitost sončne energije, jo primerjali z drugimi metodami proizvodnje energije in opisali njeno pričakovano prihodnjo smer.
Uvod
V vsakdanjem življenju uporabljamo različne električne naprave, tehnologije za proizvodnjo energije, ki zagotavljajo to elektriko, pa so se hitro razvijale. Ker se je povečala zaskrbljenost zaradi izčrpavanja neobnovljivih virov energije, kot so fosilna goriva in uran, je potreba po razvoju alternativne energije postala še bolj nujna. Ena takšnih alternativ je sončna energija.
V Južni Koreji je počasno uvajanje sončne energije deloma posledica omejene površine države in bremena visokih začetnih naložbenih stroškov. Vendar se razmere hitro spreminjajo, saj je več velikih korporacij in jeklarskih podjetij pred kratkim začelo aktivno vstopati v panogo sončne energije. Posledično so se obeti za sončno energijo izboljšali.
Namen tega članka je oceniti trenutno stanje sončne energije s preučevanjem njenih osnovnih načel, učinkovitosti in primerjav z drugimi alternativnimi viri energije ter predlagati, kako se bo sončna energija razvijala kot odziv na prihodnje tehnološke in družbene spremembe.
Učinkovitost in načela sončne energije
Sončna energija je tehnologija, ki neposredno pretvarja sončno svetlobo v električno energijo. Sistem je osredotočen na sončne celice, ki ustvarjajo elektriko s pomočjo fotovoltaičnega učinka, ko so izpostavljene sončni svetlobi. Sistem je običajno sestavljen iz modulov, izdelanih iz sončnih celic, skupaj s podpornimi baterijami in napravami za pretvorbo energije (razsmerniki).
Načelo delovanja sončnih celic izkorišča fotovoltaični učinek, ki ga povzroča svetloba; ko se svetloba absorbira na vmesniku kovina-polprevodnik ali na polprevodniškem pn spoju, nastanejo elektroni in luknje, ki povzročijo pretok toka. Primeri sistemov, ki uporabljajo stike kovina-polprevodnik, vključujejo selenove fotovoltaične celice in bakrov sulfidne fotovoltaične celice, medtem ko so silicijeve sončne celice, ki so trenutno v široki uporabi, polprevodniške sončne celice v obliki pn spojev.
Sončne celice imajo strukturo, v kateri so združeni polprevodniki tipa N in tipa P z različnimi električnimi lastnostmi; ko se sončna svetloba absorbira, se v polprevodniku ustvarijo naboji, ki dovajajo tok zunanji obremenitvi. To osnovno načelo je temelj vseh sončnih celic.
Sončne celice so na splošno razdeljene na kristalne silicijeve in tankoplastne. Kristalne silicijeve sončne celice so izdelane z rezanjem bloka silicija na tanke rezine in predstavljajo večino trga. Tankoplastne sončne celice so izdelane z nanašanjem tankih filmov na steklene ali plastične podlage in so razvrščene v različne tipe, odvisno od vrste uporabljenega filma.
V standardnih pogojih (temperatura površine celice 25 °C, obsevanost 1000 W/m²) je mogoče pričakovati teoretično izhodno moč približno 100 W na 1 m² sončne celice. Vendar pa se dejanska učinkovitost pretvorbe giblje med 5 % in 20 %, odvisno od uporabljene tehnologije in materialov, različni faktorji izgub – kot so odboj površine, neabsorpcija infrardeče svetlobe, serijska upornost in uhajanje – pa zmanjšujejo učinkovitost.
Na splošno je znano, da imajo tankoplastne sončne celice izkoristek približno 7–8 %, polikristalne silicijeve celice 11–13 %, monokristalne silicijeve celice 14–15 % in hibridne vrste 17–19 %. Poleg tega senčenje ali zvišanje temperature površine celice dodatno zmanjšata celotno učinkovitost sistema.
Primerjava z drugimi metodami proizvodnje energije
1) Prednosti in slabosti proizvodnje sončne energije
Največja prednost proizvodnje sončne energije je, da je njen vir energije čist in praktično neomejen. Energijo lahko proizvaja kjer in kadar je potrebna, zahteva relativno malo vzdrževanja, jo je mogoče upravljati brez posadke in ima dolgo življenjsko dobo. Po drugi strani pa so slabosti odvisnost izhodne moči od sončnega sevanja, potreba po velikem območju namestitve zaradi nizke gostote energije, omejitve mesta namestitve ter visoki začetni stroški naložbe in proizvodnje.
2) Prednosti in slabosti geotermalne energije
Geotermalna energija je trajnostni vir, ki bo obstajal, dokler bosta obstajala sonce in Zemlja, zato ni veliko skrbi glede izčrpavanja. Čeprav ima prednost, da jo je mogoče kombinirati s pomožnimi dejavnostmi, kot so vroči vrelci in turizem, je močno odvisna od specifičnih topografij, kot so vulkanski pasovi, kar povzroča znatne lokacijske omejitve. V regijah brez vulkanskih pasov je potreben razvoj objektov, ki uporabljajo globoko geotermalno energijo.
3) Prednosti in slabosti bioenergije
Bioenergija je bogata z viri in ima pomemben valoviti učinek, saj ponuja okoljske koristi, kot je zmanjšanje emisij toplogrednih plinov. Prednost ima tudi v tem, da se lahko razširi preko proizvodnje električne energije in vključuje proizvodnjo goriv in kemikalij. Vendar pa so njene slabosti potreba po zbiranju bioloških virov, možnost uničenja okolja v primeru prekomerne uporabe in visoki stroški naložb v objekte.
4) Prednosti in slabosti energije oceanov
Energija oceanov (vključno s pretvorbo energije plimovanja, valov in oceanske toplotne energije) ima velik potencial, saj temelji na ogromnem viru energije oceana. Vendar so pogoji na lokaciji zahtevni, stroški namestitve zelo visoki, proizvodnja energije plimovanja pa se pogosto sooča z omejitvami pri razvoju zaradi znatnega potencialnega vpliva na okolje, na primer na plimske ravnice.
5) Prednosti in slabosti vetrne energije
Vetrna energija je ekonomsko upravičena, če je nameščena na območjih z močnim vetrom, ima relativno nizke začetne stroške namestitve in zahteva minimalno vzdrževanje. Druga prednost je možnost delovanja brez posadke. Po drugi strani pa proizvodnja zaradi spremenljivosti vetrnih razmer znatno niha in je pogosto treba namestiti več turbin, da se doseže zadostna proizvodnja.
Trenutno stanje in tehnološki razvoj sončne energije
Trenutno se učinkovitost pretvorbe sončnih celic giblje od približno 5 % do 20 %, pri čemer so glavni faktorji izgub med drugim izgube zaradi površinskega odboja, neabsorbirajoče valovne dolžine (zlasti infrardeče) in izgube zaradi lastnosti materiala. Porazdelitev faktorjev izgub se razlikuje glede na uporabljeno tehnologijo in materiale; na primer, kristalne silicijeve sončne celice imajo približno 26 % izgub zaradi odboja in neabsorbiranja, medtem ko tankoplastne sončne celice doživljajo izgube približno 41 %.
Poleg tega se ocenjuje, da je približno 49 % energije v kristalnem siliciju in 42 % v tankoplastnih sončnih celicah neabsorbirane ali neuporabne, medtem ko druge izgube, kot sta serijska upornost in uhajalni tok, znašajo približno 7 % v kristalnem siliciju in 6 % v tankoplastnih sončnih celicah. Ti faktorji izgub skupaj ustvarjajo omejitve trenutnega izkoristka.
Vladna in zasebna podpora ter naložbe igrajo ključno vlogo pri komercializaciji tehnologije. Na primer, med letoma 1988 in 2010 so bili v sektorju sončne energije izvedeni različni projekti z relativno velikimi skupnimi naložbami, od katerih jih je nekatere subvencionirala vlada.
Kristalne silicijeve sončne celice so dosegle fazo komercializacije s pomočjo raziskav sistemske integracije, medtem ko so polikristalne silicijeve tankoplastne celice zagotovile osnovno tehnologijo, vendar se zaradi visokih investicijskih stroškov proizvodne opreme soočajo s počasno komercializacijo. Tankoplastne sončne celice na osnovi spojin (npr. CdTe, CuInSe2 itd.) imajo prednost visoke učinkovitosti, vendar zmanjšanje stroškov in povečanje obsega na velike površine ostajata izziva.
Domači proizvajalci in raziskovalni inštituti sodelujejo pri razvoju in standardizaciji komponent sončnih sistemov, kot so moduli, razsmerniki in akumulatorji. Z vstopom nekaterih velikih korporacij so se okrepile proizvodne zmogljivosti in zmogljivosti raziskav in razvoja, zato je zelo verjetno, da se bo tehnološka raven hitro izboljšala.
Prihodnje smeri za sončno energijo
Trenutno ima sončna energija še veliko prostora za izboljšave v smislu učinkovitosti. Ključni pristop k reševanju tega problema je integracija z drugimi viri energije in tehnologijami. Zlasti kombiniranje sončne fotovoltaike (PV) in sončne termalne energije na komplementaren način lahko poveča splošno učinkovitost sistema z integrirano uporabo električne energije in toplote.
Sončni termalni sistemi izkoriščajo valovno naravo sončne svetlobe za absorpcijo, shranjevanje in pretvorbo toplote za uporabo v ogrevanju, hlajenju in oskrbi s toplo vodo v stavbah. Delijo se na kolektorske, akumulacijske in izkoriščajoče enote ter vključujejo različne vrste kolektorjev, kot so ploščati, parabolični in stolpni. Trenutno se sončni fotovoltaični in sončni termalni sistemi razlikujejo po obsegu in uporabi, če pa bo združitev teh dveh tehnologij mogoča z napredkom v tehnologiji polprevodnikov in drugih področjih, bi se lahko njihov obseg uporabe in učinkovitost znatno razširila.
Poleg tega bi lahko napredek v raziskavah jedrske fuzije (npr. tokamaki) dolgoročno dopolnil vprašanja, povezana s sončno energijo. Če bi se jedrska fuzija komercializirala, bi lahko pomagala ublažiti nihanja v proizvodnji energije, ki jih povzročajo sezonske spremembe in raven sončne svetlobe, ter prispevala k povečanju skupne proizvodnje električne energije. Jedrska fuzija proizvede več električne energije kot jedrska fisija in se z dolgoročnega vidika o njej razpravlja kot o viru energije naslednje generacije.
Konec koncev sončna energija temelji na skoraj neomejenem viru in bo zelo verjetno postala temelj prehoda na trajnostno energijo. Če bodo odpravljene tehnične omejitve in stroškovna vprašanja, bi jo lahko široko uporabljali v različnih obsegih.
zaključek
Po preučitvi načel, učinkovitosti in razlik med sončno energijo in drugimi metodami proizvodnje energije je jasno, da ima sončna energija trenutno omejitve, ki ji preprečujejo, da bi popolnoma nadomestila obstoječe obsežne vire energije, kot so fosilna goriva in jedrska energija. Glavni razlogi za to so nizka energijska gostota, odvisnost od sončnega obsevanja in visoki začetni investicijski stroški.
Kljub temu bo sončna energija kot čist vir energije, ki praktično ne tvega izčrpanosti, zavzela pomembno mesto v prihodnjih energetskih portfeljih. Zlasti v okoljih z majhnimi instalacijami, kot so strehe stanovanjskih hiš, je mogoče doseči znatne prihranke energije z izbiro in uporabo sončne energije in sončne toplotne energije v kombinaciji.
Vlada že spodbuja širjenje novih in obnovljivih virov energije z različnimi politikami razširjanja in podpore, z naraščajočim sodelovanjem zasebnih podjetij in raziskovalnih ustanov pa se pričakuje, da se bosta komercializacija tehnologije in izboljšanje stroškov na enoto pospešili. Čeprav se je ta članek osredotočil na sončno energijo, imajo tudi drugi obnovljivi viri energije svoje prednosti, slabosti in področja uporabe, zato je potreben celovit pristop.
Prihodnji izzivi vključujejo izboljšanje tehnične učinkovitosti, zmanjšanje stroškov in integracijo sistemov (npr. kombiniranje sončne energije s sončno termalno energijo ali napravami za shranjevanje energije) in upamo, da bodo ta prizadevanja vodila do bolj uspešnega življenja za vse.
