סקירה כללית של אנרגיה סולרית

מבוא לייצור חשמל פוטו-וולטאי סולארי

ייצור חשמל פוטו-וולטאי סולארי הוא דרך להפקת חשמל על ידי ניצול האפקט הפוטו-וולטאי של תא סולארי (מכשיר מוליכים למחצה הדומה לדיודה קריסטלית) כדי להמיר ישירות את אנרגיית הקרינה של השמש לאנרגיה חשמלית, וממיר האנרגיה של ייצור חשמל פוטו-וולטאי סולארי הוא התא הסולארי, הידוע גם כתא פוטו-וולטאי. כאשר אור השמש פוגע בתא השמש (המורכב משני סוגים שונים של חומרים מוליכים למחצה הומוגניים מסוג P ו-N), חלק מהאור מוחזר, חלק מהאור נספג וחלק מהאור עובר דרך התא.אנרגיית האור הנספגת כדי לעורר את מצב האנרגיה הגבוהה הקשור של האלקטרון, וכתוצאה מכך צמדי אלקטרונים-חורים, בצומת ה-PN של השדה החשמלי המובנה, אלקטרונים, חורים ותנועת זה של זה (כמתואר באיור 1-1), אזור N של החור לאזור P, אזור P של האלקטרון לאזור N של תנועת הצד האור של התא הסולארי כך שהצטברו מספר רב של מטענים שליליים (אלקטרונים), ומספר רב של חיוביים. מטענים (חורים) שהצטברו בצד האור האחורי של הסוללה. אם עומס מחובר לשני קצוות התא, זרם יעבור בעומס, וכאשר האור ממשיך להאיר, זרם קבוע יזרום בעומס. תא סולארי בודד הוא פרוסה דקה של צומת PN מוליכים למחצה, תנאי אור סטנדרטיים, מתח המוצא המדורג של 0.5 ~ 0.55 V. על מנת להשיג מתח מוצא גבוה יותר והספק גדול יותר קיבולת, ביישומים מעשיים לעתים קרובות מחברים מספר תאים סולאריים יחד ליצירת ערכת סוללות, או ערכות סוללות נוספות ליצירת מערך פוטו-וולטאי, כפי שמוצג באיור 1-2. עוצמת המוצא של תאים סולאריים היא אקראית, והספק המוצא של אותו תא סולארי שונה בזמנים שונים, במקומות שונים, בעוצמות אור שונות ובשיטות התקנה שונות.

1-1 עקרון ייצור חשמל של תאים פוטו-וולטאיים סולאריים

1-2 מתאים ומודולים ועד מערכי PV

היתרונות של PV שמש

התהליך של ייצור חשמל פוטו-וולטאי סולארי הוא פשוט, ללא חלקים מסתובבים מכניים, ללא צריכת דלק, ללא פליטת חומר כלשהו לרבות גזי חממה, ללא רעש וללא זיהום; משאבי אנרגיה סולארית מופצים באופן נרחב ובלתי נדלים. לפיכך, בהשוואה לטכנולוגיות ייצור חשמל חדשות כגון כוח רוח וייצור חשמל ביומסה, ייצור חשמל פוטו-וולטאי הוא טכנולוגיית ייצור חשמל באנרגיה מתחדשת המאופיינת בפיתוח בר-קיימא ביותר (המשאבים העשירים ביותר ותהליך הפקת החשמל הנקי ביותר), ויתרונותיה העיקריים הם כדלהלן.

(1) משאבי אנרגיה סולארית הם בלתי נדלים, אנרגיית השמש המוקרנת לכדור הארץ גדולה כמעט פי 6,000 מהאנרגיה הנצרכת כיום על ידי בני אדם, ואנרגיה סולארית מופצת באופן נרחב על פני כדור הארץ, כל עוד יש הוא קל במקום בו ניתן להשתמש במערכת ייצור החשמל הפוטו-וולטאית ללא הגבלה של גיאוגרפיה, גובה וגורמים אחרים.

(2) אמנם על פני כדור הארץ, מימדים שונים, הבדלים בתנאי אקלים וגורמים אחרים יגרמו לקרינת שמש לא אחידה, אך מכיוון שמשאבי אנרגיה סולארית זמינים בכל מקום, יכולים להיות קרובים לפתרון של ייצור חשמל, אספקת חשמל וחשמל, לעשות לא חייבים להיות מועברים למרחקים ארוכים, כדי למנוע השקעה בקו הולכה למרחקים ארוכים ואובדן אנרגיה חשמלית.

(3) ייצור חשמל פוטו-וולטאי הוא ישירות מהמרת פוטון לאלקטרונים, אין תהליך ביניים (כגון אנרגיה תרמית המומרת לאנרגיה מכנית, אנרגיה מכנית המומרת לאנרגיה אלקטרומגנטית וכו') ותנועה מכנית, אין בלאי מכני. . לפי ניתוח תרמודינמי, לייצור חשמל פוטו-וולטאי יש יעילות תיאורטית גבוהה מאוד של ייצור חשמל, עד 80 אחוזים או יותר, פוטנציאל פיתוח טכנולוגי.

(4) ייצור חשמל פוטו-וולטאי עצמו אינו משתמש בדלק, פליטת גזי חממה וחומרי פליטה אחרים היא כמעט אפסית, אינה מייצרת רעש, ולא תזהם את האוויר והמים, ידידותית לסביבה. לא יסבול ממשבר האנרגיה או מהשפעת חוסר היציבות בשוק הדלק, אנרגיה סולארית היא אנרגיה מתחדשת ירוקה אמיתית.

(5) תהליך ייצור החשמל הפוטו-וולטאי אינו מצריך מי קירור, וניתן להתקין את מכשיר ייצור החשמל במדבר ובגובי שבהם אין מים. ניתן גם לשלב ייצור חשמל פוטו-וולטאי בקלות עם גגות וקירות מבנים כדי ליצור מערכת הפקת חשמל משולבת בגג או במבנה פוטו-וולטאי, אשר אינה צריכה לכבוש את הקרקע בנפרד ויכולה לחסוך במשאבי קרקע יקרים.

(6) לייצור חשמל פוטו-וולטאי אין חלקי הילוכים מכניים, תפעול ותחזוקה פשוטים ופעולה יציבה ואמינה. סט של מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית כל עוד יש שמש, רכיבי סוללה יכולים לייצר חשמל, יחד עם השימוש הנרחב בטכנולוגיית בקרה אוטומטית, בעצם יכול לממש עלויות תחזוקה נמוכות ללא השגחה.

(7) ביצועי מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאיים הם יציבים ואמינים, חיי שירות ארוכים (יותר מ-30 שנה), חיי תא סולרי סיליקון גבישי יכולים להיות ארוכים עד 25 עד 35 שנים. במערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית, כל עוד התכנון סביר והבחירה מתאימה, אורך חיי הסוללה יכול להגיע גם ל-10 עד 15 שנים.

(8) המבנה של מודול תאים סולאריים הוא פשוט, קטן בגודל וקל משקל, אשר קל להובלה והתקנה. מחזור בניית מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית הוא קצר, ובהתאם ליכולת עומס הכוח יכולה להיות גדולה או קטנה, נוחה וגמישה, קלה מאוד לשילוב, הרחבה.

בנוסף, הנפוצה ביותר בשנים האחרונות היא מערכת ייצור החשמל הפוטו-וולטאית המבוזרת שנבנתה על ידי ניצול גגות של מבנים ומתקנים חקלאיים שונים וכן גגות של בתי משפחה, אשר בנוסף לאותם יתרונות כמו אלו שהוזכרו לעיל, יש גם את העליונות הבאות.

(1) ייצור חשמל פוטו-וולטאי מבוזר בעצם אינו תופס משאבי קרקע, והוא יכול לשמש לייצור ואספקת חשמל בסביבה, ללא או עם פחות קווי תמסורת, מה שמפחית את עלויות ההולכה. מודולי PV יכולים גם להחליף ישירות חומרי קיר וגג מסורתיים.

(2) מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית מבוזרת היא ייצור חשמל ודו קיום חשמל כאשר היא מחוברת לרשת החלוקה. ברשת אספקת החשמל נמצאת בתקופת השיא של ייצור חשמל, יכול למעשה לשחק את התפקיד של פילוס שיא, לקצץ את עומס שיא אספקת החשמל היקר בעיר, יכול במידה מסוימת להקל על המתח של צריכת החשמל באזורים מקומיים.

החסרונות של PV שמש

(1) צפיפות אנרגיה נמוכה. אמנם אנרגיית השמש לכדור הארץ היא עצומה ביותר, אך מכיוון שגם שטח פני כדור הארץ גדול מאוד, ורוב פני כדור הארץ מכוסים על ידי האוקיינוס, אנרגיית השמש האמיתית יכולה להגיע אל פני הקרקע רק כדי להגיע לטווח של כדור הארץ. אנרגיית קרינה של 10 אחוזים לערך, וכתוצאה מכך יחידת שטח של האדמה יכולה להיות גישה ישירה לאנרגיית השמש היא קטנה יחסית, בדרך כלל לקרינת השמש כדי לבטא את פני השטח של הערך הגבוה ביותר של כדור הארץ של כ 1.2kWh/m2, וכן הרוב המכריע של האזורים ורוב זמן השמש נמוך מ-1kWh/m2. מ"ר, והרוב המכריע של האזורים ורוב שעות השמש נמוכים מ-1kWh/m2. ניצול אנרגיה סולארית הוא למעשה איסוף אנרגיה בצפיפות נמוכה, ניצול.

(2) מכסה שטח גדול. צפיפות האנרגיה הסולארית נמוכה, מה שגורם לכך שמערכת ייצור החשמל הפוטו-וולטאית תכסה שטח גדול, כל 10kW כוח ייצור חשמל פוטו-וולטאי מכסה שטח של כ-70m2, הספק ייצור החשמל הממוצע למ"ר שטח הוא כ-160W. עם הקידום של ייצור חשמל פוטו-וולטאי מבוזר והבשלות והפיתוח של טכנולוגיית ייצור חשמל משולבת של בניינים פוטו-וולטאיים, ניתן לנצל יותר ויותר מערכות לייצור חשמל פוטו-וולטאיות על הגגות והחזיתות של מבנים ומבנים, מה שמשפר בהדרגה את החסרונות של ייצור חשמל פוטו-וולטאי. מערכות עם שטח רצפה גדול.

(3) יעילות המרה נמוכה יותר. היחידה הבסיסית ביותר לייצור חשמל פוטו-וולטאית היא מודול התא הסולארי. יעילות ההמרה של ייצור חשמל פוטו-וולטאי מתייחסת ליחס של אנרגיית האור המומרת לחשמל. נכון לעכשיו, יעילות ההמרה הגבוהה ביותר של תאים פוטו-וולטאיים סיליקון גבישי ב-21 אחוזים לערך, עשויה ממרכיבי הסוללה יעילות המרה של 16 אחוז עד 17 אחוזים, יעילות המרה של מודול פוטו סיליקון אמורפי עד יותר מ-13 אחוזים. בשל יעילות ההמרה הפוטואלקטרית הנמוכה, צפיפות ההספק של מערכת ייצור החשמל הפוטו-וולטאית נמוכה, קשה ליצור מערכת ייצור חשמל גבוהה.

(4) עבודה לסירוגין. על פני כדור הארץ, מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית יכולה לייצר חשמל רק במהלך היום, אך לא בלילה, דבר שאינו עולה בקנה אחד עם הדרך של אנשים להשתמש בחשמל ולהרגלים. אלא אם כן אין הבדל בין יום ללילה בחלל, תאים סולאריים יכולים לייצר חשמל ברציפות.

(5) מושפע מתנאים טבעיים ומגורמי אקלים. אנרגיית ייצור חשמל פוטו-וולטאית סולארית מגיעה ישירות מקרינת אור השמש, ולהקרנת אור השמש על פני כדור הארץ על ידי התנאים הטבעיים והאקלים יש השפעה רבה על עונות השנה, חילופי היום והלילה, קו הרוחב והגובה הגיאוגרפיים ועוד טבעיים אחרים. תנאים, כמו גם מעונן ובהיר, גשם, שלג, ערפל או אפילו שינויים בכיסוי העננים ישפיעו בצורה רצינית על מצב ייצור החשמל של המערכת. בנוסף, גם ההשפעה של גורמים סביבתיים היא גדולה מאוד, במיוחד חלקיקים מוטסים (כגון אבק וכו') נחתו על פני מודול הסוללה, מה שיחסום חלק מקרינת האור, כך שיעילות ההמרה של הסוללה. מודול מופחת, וייצור החשמל מצטמצם.

(6) תלות גיאוגרפית חזקה. מיקומים גיאוגרפיים שונים, כך שמשאבי השמש באזורים שונים משתנים מאוד. מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית רק ביישום של אזורים עתירי משאבי אנרגיה סולארית היא טובה, החזר גבוה על ההשקעה.

(7) עלות המערכת גבוהה. היעילות של ייצור חשמל פוטו-וולטאי סולארי נמוכה יחסית, ועד כה, העלות של הפקת חשמל פוטו-וולטאית עדיין גבוהה יותר משיטות ייצור חשמל קונבנציונליות אחרות (כגון אנרגיה תרמית והידרו-כוח). זהו גם אחד הגורמים העיקריים המגבילים את היישום הנרחב שלו. עם זאת, עלינו לראות שעם הרחבה מתמשכת של קיבולת התאים הסולאריים והשיפור המתמשך של יעילות התאים הסולאריים של שבבי תאים, העלות של מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית ירדה מהר מאוד, ומחירם של מודולי תאים סולאריים ירד מיותר. מ-10 יואן לוואט בשנים האחרונות לכ-2.5 יואן/W כיום.

(8) תהליך הייצור של סוללות סיליקון גבישי גבוה בזיהום ובצריכת אנרגיה. חומר הגלם העיקרי לסוללות סיליקון גבישי הוא סיליקון טהור. הסיליקון הוא היסוד השני בשכיחותו בכדור הארץ אחרי חמצן, קיים בעיקר בצורת חול (סיליקה). הטרנספורמציה ההדרגתית מחול לסיליקון גבישי טהור עם תכולה של מעל 99.9999 אחוזים דורשת תהליכים כימיים ופיזיקליים מרובים, אשר לא רק צורכים כמות גדולה של אנרגיה אלא גם גורם לזיהום סביבתי מסוים.

למרות החסרונות והחסרונות שהוזכרו לעיל של ייצור חשמל פוטו-וולטאי סולארי, הדלדול ההדרגתי של אנרגיית המאובנים העולמית וההתחממות הגלובלית והשפלה של הסביבה האקולוגית הנגרמת כתוצאה מצריכה מופרזת של אנרגיה מאובנים מהווים איום גדול על הישרדות האדם. לכן, פיתוח נמרץ של אנרגיה מתחדשת הוא אחד האמצעים העיקריים לפתרון בעיה זו.