Бюллетени

Совокупная мощность двух крупнейших корпораций по захоронению отходов в США в 2020 году составила 9,98 миллиарда кубических ярдов.

Информационный бюллетень по фотоэлектрической энергии

Изображение

Солнечную энергию можно использовать двумя основными способами. Во-первых, солнечные тепловые технологии используют солнечный свет для нагрева воды для бытовых нужд, обогрева помещений зданий или теплоносителей для привода турбин, вырабатывающих электроэнергию. Во-вторых, фотоэлектрические элементы (PV) — это полупроводники, которые генерируют электрический ток от солнечного света. В 2021 году только 2,8% электроэнергии в США было произведено с помощью солнечных технологий1.

Солнечный ресурс и потенциал

• В среднем на Землю постоянно попадает 1,73 x 10 5 тераватт (ТВт) солнечной радиации, а глобальный спрос на электроэнергию составляет в среднем 2,7 ТВт. 3,4
• Спрос на электроэнергию меняется в течение дня. Накопление энергии и прогнозирование спроса помогут привести фотоэлектрическую генерацию в соответствие со спросом. 5
• Солнечные фотоэлектрические панели, расположенные рядом со спросом, могут использоваться для снижения нагрузки на распределительные сети электроэнергии, особенно во время пиковых нагрузок. 6
• Эффективность фотоэлектрического преобразования — это процент падающей солнечной энергии, которая преобразуется в электричество. 7
• Хотя эффективность большинства коммерческих панелей составляет от 15% до 20%, исследователи разработали фотоэлементы с эффективностью, приближающейся к 50%. 8,9
• Предполагая промежуточную эффективность, фотоэлектрические панели, покрывающие 0,6% территории США, будут генерировать достаточно электроэнергии для удовлетворения национального спроса. 10
• В 2011 году Министерство энергетики США (DOE) объявило об инициативе SunShot. Его цель состояла в том, чтобы снизить стоимость солнечной энергии на 75%, сделав ее конкурентоспособной по сравнению с другими вариантами энергии. В 2017 году Министерство энергетики объявило, что цель 2020 года по производству солнечной энергии для коммунальных предприятий по цене 0,06 доллара за кВтч была достигнута на три года раньше, чем ожидалось. Цель на 2030 год включает сокращение солнечной энергии для коммунальных предприятий до 0,03 доллара США за кВтч, что дешевле, чем электроэнергия из энергетических ресурсов из ископаемого топлива. 11

Среднегодовая солнечная радиация 2

Изображение

Фотоэлектрические технологии и их воздействие

Фотоэлектрические элементы

• Фотоэлементы сделаны из полупроводниковых материалов, которые выбрасывают электроны, когда свет падает на поверхность, создавая электрический ток. 15
• Большинство фотоэлементов небольшие, прямоугольные и производят несколько ватт электроэнергии постоянного тока. 16
• Фотоэлементы также включают электрические контакты, которые позволяют электронам течь к нагрузке, и поверхностные покрытия, уменьшающие отражение света. 15
• Для фотоэлектрических модулей можно использовать различные полупроводниковые материалы, в том числе кремний, диселенид меди, индия, галлия (CIGS), теллурид кадмия (CdTe), перовскиты и даже некоторые органические соединения (OPV). 15 Хотя эффективность фотоэлектрического преобразования является важным показателем, эффективность затрат — стоимость ватта мощности — более важна для большинства приложений.

ТИПЫ ФЭ ТЕХНОЛОГИЙ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ 9,12

Изображение

Схема фотоэлектрической ячейки 13

Изображение

Фотоэлектрические модули и баланс системы (BOS)

• Фотоэлектрические модули обычно представляют собой прямоугольную сетку из 60–72 ячеек, соединенных в несколько параллельных цепей и ламинированных между прозрачной передней поверхностью и конструктивной задней поверхностью. Обычно они имеют металлический каркас и весят от 34 до 62 фунтов. 17
• Солнечная батарея представляет собой группу модулей, соединенных электрически и закрепленных на жесткой конструкции. 18
• Компоненты BOS включают в себя любые элементы, необходимые в дополнение к фактическим фотоэлектрическим панелям, такие как провода, которые соединяют модули, распределительные коробки для объединения цепей, монтажное оборудование и силовую электронику, которая управляет выходом фотоэлектрической батареи. 18
• Инвертор — это силовое электронное устройство, которое преобразует электроэнергию, вырабатываемую фотоэлектрическими системами, из постоянного тока в переменный ток (AC). 18
• Контроллер заряда — это силовое электронное устройство, используемое для управления накоплением энергии в батареях, которые сами по себе могут быть компонентами BOS. 18
• В отличие от стоечного фотоэлектрического массива, Building Integrated PV (BIPV) заменяет строительные материалы, такие как черепица, и улучшает внешний вид фотоэлектрических модулей. 19
• В некоторых наземных фотоэлектрических батареях используется солнечный трекер. Эта технология может увеличить выход энергии до 100%. 20

Жилая фотоэлектрическая система 14

Изображение

Фотоэлектрическая установка, производство и стоимость

• В 2020 году мировая мощность фотоэлектрических станций выросла более чем на 138 ГВт и достигла 773,2 ГВт. С 2000 года мощность солнечных фотоэлектрических систем выросла почти в 500 раз23.
• Лидерами по установке в 2020 году были Китай (48,2 ГВт), США (19,2 ГВт) и Вьетнам (11,6 ГВт). 23
• Новые фотоэлектрические установки выросли на 18% в 2020 году, и на их долю пришлось 39% прироста мощности электростанций в мире. Даже при таком значительном росте на солнечную энергию приходится лишь 3,1% мирового производства электроэнергии. 23
• Стоимость солнечной энергии упала почти на 89% с 2009 года. По всему миру были подписаны различные контракты с ценами на солнечную энергию всего 1-2 цента за кВтч; это намного дешевле, чем обычные источники питания. 23 Для сравнения, розничная стоимость электроэнергии в США в 2021 году составляла в среднем 11,18 цента/кВтч для всех секторов и 13,72 цента/кВтч для бытовых потребителей1.
• В 2019 году глобальные инвестиции в солнечную энергетику упали до 131,1 миллиарда долларов. Это частично является результатом снижения капитальных затрат на фотоэлектрические системы. 24
• В 2018 году в производстве фотоэлектрических систем/компонентов в США работало 34 000 человек18.

Мировая совокупная установленная фотоэлектрическая мощность ​21

Изображение

Средняя установленная цена фотоэлектрических систем для жилых, коммерческих и коммунальных предприятий 22

Изображение

Энергетическая эффективность и воздействие на окружающую среду

• Коэффициент полезной энергии сравнивает выходную энергию фотоэлектрической системы за жизненный цикл с входной первичной энергией за жизненный цикл. Одно исследование показало, что фотоэлектрические элементы из аморфного кремния генерируют в 3–6 раз больше энергии, чем требуется для их производства. 25
• Повторное использование мультикристаллических ячеек может снизить производственные затраты более чем на 50%. 26
• Несмотря на то, что при производстве фотоэлектрических систем выбрасываются загрязняющие и токсичные вещества, выбросы в течение жизненного цикла невелики. Например, выбросы тонкопленочного CdTe за жизненный цикл составляют примерно 14 г CO.₂e на поставленный кВтч, что намного ниже источников электроэнергии, таких как уголь (1001 г CO₂е/кВтч). 27,28
• Солнечные электростанции в среднем потребляют меньше воды для выработки электроэнергии (26 галлонов на МВтч) по сравнению с невозобновляемыми технологиями, такими как уголь (687 галлонов на МВтч). 29

Решения и устойчивые действия

Политика продвижения возобновляемых источников энергии

• Потребители, у которых нет места на крыше для фотоэлектрических панелей, могут присоединиться к общественным солнечным программам, которые представляют собой местные солнечные проекты, которыми члены сообщества могут делиться и получать кредит на свои счета за электроэнергию. 30 Программы чистой энергии с оценкой собственности (PACE) позволяют владельцам недвижимости финансировать первоначальные затраты на установку солнечной энергии за счет добровольной оценки ежегодных налогов на недвижимость. 31 Зеленые банки и другие кредитные учреждения разрабатываются для финансирования и поддержки проектов чистой энергетики на местном, региональном и национальном уровнях. 32
• Политика ограничения и торговли квотами на выбросы углерода будет работать в пользу фотоэлектрических систем за счет увеличения стоимости производства энергии из ископаемого топлива. 33
• Политические стимулы фотоэлектрической энергетики включают стандарты портфеля возобновляемых источников энергии (RPS), льготные тарифы (FIT), скидки на мощность и чистые измерения.
  • RPS требует, чтобы поставщики электроэнергии получали минимальную долю энергии из возобновляемых источников. 34
  • FIT устанавливает минимальную цену за кВтч, которую розничные поставщики электроэнергии должны платить производителям электроэнергии из возобновляемых источников. 35
  • Скидки за мощность — это единовременные авансовые платежи за строительство проектов по возобновляемым источникам энергии на основе установленной мощности (в ваттах). 35
  • При чистом измерении владельцы PV получают кредит от коммунального предприятия (до их годового использования энергии) за энергию, возвращенную в сеть. 35

  Что ты можешь сделать

  • «Зеленое ценообразование» позволяет потребителям платить за электроэнергию надбавку, которая поддерживает инвестиции в возобновляемые технологии. Сертификаты возобновляемой энергии (REC) можно приобрести, чтобы «компенсировать» потребление электроэнергии товарами и помочь возобновляемым источникам энергии стать более конкурентоспособными. 36

  Технологии будущего

  • Новые фотоэлектрические технологии включают перовскиты, двухкомпонентные фотоэлектрические модули и технологию концентратора фотоэлектрических модулей (CPV). Перовскитные солнечные элементы обладают высокой эффективностью преобразования (более 25%) и низкой себестоимостью производства. Двусторонние модули способны собирать свет с обеих сторон фотоэлементов. CPV использует недорогую оптику для концентрации света на небольшом солнечном элементе. 37,38, 39
  • Проектирование с учетом окончания срока службы может улучшить текущую 10-процентную норму утилизации фотоэлектрических модулей. 40

  Цитировать как

  Центр устойчивых систем Мичиганского университета. 2021. «Информационный бюллетень о фотоэлектрической энергии». Паб. № CSS07-08.

  использованная литература

  1. Управление энергетической информации США (EIA) (2022 г.), Ежемесячный обзор энергетики, июнь 2022 г.
  2. Министерство энергетики США (DOE), Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) (2018 г.) Годовая карта США Solar GHI.
  3. Национальное управление океанических и атмосферных исследований (2017 г.) «Энергия на сфере».
  4. ОВОС США (2022 г.) Международная энергетическая статистика.
  5. Министерство энергетики США, Энергоэффективность и возобновляемые источники энергии (EERE) (2017 г.) «Противостояние утиной кривой: как решить проблему чрезмерного производства солнечной энергии».
  6. Группа экспертов по будущему энергетики Америки по электроэнергии из возобновляемых ресурсов, Национальный исследовательский совет (2010 г.) Электроэнергия из возобновляемых ресурсов: состояние, перспективы и препятствия.
  7. Министерство энергетики США, EERE (2020 г.) «Глоссарий по солнечной энергии».
  8. Energy Sage (2021) «Самые эффективные солнечные панели: объяснение эффективности ячеек солнечных панелей».
  9. NREL (2022) Лучшая эффективность исследовательской ячейки.
  10. NREL (2012) Исследование SunShot Vision.
  11. Министерство энергетики США (2021 г.) «Инициатива SunShot».
  12. NREL (2022) Эффективность модуля Champion.
  13. Адаптировано из NASA Science (2008 г.) «Как работает фотогальваника?»
  14. Фото предоставлено Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, NREL-45218.
  15. Министерство энергетики США, EERE (2021) «Основы солнечных фотоэлектрических элементов».
  16. Министерство энергетики США, EERE (2021) «Основы солнечной фотоэлектрической технологии».
  17. Платцер, М. (2015) Производство солнечной фотоэлектрической энергии в США: отраслевые тенденции, глобальная конкуренция, федеральная поддержка. Исследовательская служба Конгресса.
  18. Исследовательская служба Конгресса (2020 г.) Солнечная энергия: часто задаваемые вопросы.
  19. Барбоз, Г. и др. (2014) Отслеживание Солнца VI: Исторический обзор установленной цены на фотоэлектрические элементы в США с 1998 по 2012 год. Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли, LBNL-6350E.2013.2017.
  20. Мусазаде Х. и др. (2009) «Обзор принципов и методов слежения за солнцем для максимизации производительности солнечных систем». Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии, 13:1800-1818.
  21. Международное энергетическое агентство (2021 г.) Тенденции 2021 г. в отчете об исследовании фотоэлектрических приложений в отдельных странах МЭА в период с 1992 по 2020 гг.
  22. NREL (2022 г.) Контрольный показатель стоимости солнечной фотоэлектрической системы в США, 1 квартал 2021 г.
  23. Солнечная энергия в Европе (2021 г.) Перспективы мирового рынка солнечной энергетики на 2021-2025 гг.
  24. Франкфуртская школа, Программа ООН по окружающей среде, Bloomberg New Energy Finance (2020) Global Trends in Renewable Energy Investment 2020.
  25. Пакка С. и др. (2007) «Параметры, влияющие на характеристики жизненного цикла фотоэлектрических технологий и систем». Энергетическая политика, 35:3316–3326.
  26. Мюллер, А., и др. (2006) «Анализ жизненного цикла процесса переработки солнечных модулей». Труды симпозиума Общества исследования материалов, 895.
  27. Ким, Х. и др. (2012) «Выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла тонкопленочных фотогальванических электростанций». Журнал промышленной экологии, 16: S110-S121.
  28. Уитакер М. и др. (2012) «Выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла при производстве электроэнергии на угле». Журнал промышленной экологии, 16: S53-S72.
  29. NREL (2011) Обзор коэффициентов эксплуатационного водопотребления и водозабора для технологий производства электроэнергии.
  30. Ассоциация производителей солнечной энергии (SEIA) (2021 г.) «Сообщество солнечной энергии».
  31. Министерство энергетики США, EERE (2021) «Программы экологически чистой энергии с оценкой собственности».
  32. Кредитный союз чистой энергии (2020 г.) «Наша история».
  33. Берд Л. и др. (2008) «Последствия ограничения и торговли квотами на выбросы углерода для добровольных рынков возобновляемой энергии в США». Энергетическая политика, 36(6): 2063-2073.
  34. Агентство по охране окружающей среды США (2021 г.) «Государственные ресурсы возобновляемой энергии».
  35. Министерство энергетики США, EERE (2022 г.) Солнечная энергия в вашем сообществе: руководство для местных органов власти.
  36. Агентство по охране окружающей среды США (2021 г.) «Варианты экологичного энергоснабжения».
  37. Министерство энергетики США EERE (2022 г.) «Перовскитовые солнечные элементы».
  38. NREL (2016) Оценка и полевая оценка методологий номинальной мощности двусторонних фотоэлектрических модулей.
  39. NREL (2017) Текущее состояние концентраторной фотоэлектрической технологии.
  40. NREL (2021) Переработка солнечных фотоэлектрических модулей: обзор политики и инициатив США.
  голоса

  Рейтинг статьи