О солнечной энергии : Проблемы солнечной энергетики

Некоторые проблемы производства солнечной энергии

• Эффективность солнечной панели

• Высокие начальные капитальные затраты и стоимость обслуживания.

Фотоэлектрическая энергетическая система.

• Дефицит земли и снижение стоимости собственности

• Отсутствие квалифицированных рабочих.

• Проблема с прерывистостью и качеством электроэнергии

• Дефицит материала для фотоэлементов.

• Экологические недостатки

Эффективность солнечных панелей

Средняя солнечная мощность на поверхности Земли составляет 174,7 Вт на квадратный метр, и за один час Солнце обеспечивает Землю примерно 3,21 x 10 ^ 20 джоулей энергии.

Это эквивалентно 76841 мегатонне.

Менее чем за два часа солнце дает больше энергии, чем вся планета потребляет за год.

Но лишь небольшая часть этой энергии может быть преобразована в солнечную энергию из-за меньшей эффективности солнечных элементов.

Солнечная панель - это комбинация солнечных элементов, которые соединены последовательно или параллельно, чтобы образовать полную солнечную панель.

Концентрические солнечные элементы содержат материал, поглощающий световую энергию, и преобразуют его в электрическую энергию.

Эффективность солнечного элемента ограничена, потому что одним фотоном может быть возбужден только один электрон, независимо от энергии фотона или энергетических пакетов, доступных при солнечном свете.

Солнечные фотоэлементы также имеют ограниченную максимальную эффективность, известную как предел Шокли-Кизьера.

Максимальная эффективность солнечного преобразования солнечного элемента с одним pn переходом составляет приблизительно 46% (теоретически) с концентрическим солнечным светом и лабораторными данными, она достигла 27%.

Для коммерческого использования эта эффективность составляет всего 16% от общего размера ячейки.

Это означает, что когда солнечный свет падает на солнечные элементы, он преобразует только 16% солнечной энергии для дальнейшего использования, а остальная часть энергии тратится впустую.

Высокая эффективность элемента обеспечивает более низкую удельную стоимость, поскольку требует меньшей площади поверхности для выработки такого же ваттного пика электроэнергии (Wp - выходная мощность, генерируемая солнечным элементом при полном солнечном излучении), тем самым уменьшая необходимое количество элементов.

Короче говоря, с повышением эффективности технологии производства солнечной энергии могут иметь значительный потенциал в качестве энергетического ресурса.

Высокий начальный капитал и стоимость обслуживания фотоэлектрической системы

Хотя установка солнечных панелей принесет огромные выгоды в долгосрочной перспективе, первоначальные затраты могут быть очень серьезными.

Солнечным панелям также требуются инверторы и аккумуляторные батареи для преобразования прямого электричества в переменное для выработки электричества.

Хотя установка солнечной панели обходится довольно дешево, установка другого оборудования становится дорогостоящей.

В зависимости от компании, у которой вы решите покупать солнечные панели, это может стоить руки и ноги.

Без помощи компаний-производителей даже сложно подсчитать всю стоимость установки.

Некоторые страны ввели скидки и налоговые льготы, чтобы позволить большему количеству людей устанавливать солнечные батареи, но если вы не откладываете на это немного денег, это может оказаться невыносимой ценой.

Кроме того, может пройти от 10 до 15 лет, прежде чем вы сможете окупить свои первоначальные инвестиции.

Дело не в сроках окупаемости.

Все, что может уменьшить нашу зависимость от ископаемого топлива, стоит попробовать.

В частности, установке и техническому обслуживанию часто недооценивают, но это так же важно, как и другие проблемы, которые делают электрификацию на солнечной энергии сложной перспективой.

Еще одна проблема связана с тем, как структурированы транзакции по покупке солнечных панелей.

Большинство установок солнечных панелей - это разовая транзакция, когда покупатель оплачивает панели, оборудование и установку.

Компания доставляет эти продукты, а затем либо устанавливает панели самостоятельно, либо нанимает независимых установщиков.

В таких сделках часто неясно, кто будет платить за обслуживание в случае выхода из строя солнечных панелей.

Многие компании не обладают достаточными финансовыми возможностями для того, чтобы через годы приглашать техников по ремонту в удаленные места для обслуживания панелей (за исключением репутации и удовлетворенности клиентов, в которых некоторые корпорации не обязательно заинтересованы), поскольку большинство из них изо всех сил пытаются заработать деньги как таковые.

Клиенты также часто не в состоянии доплачивать за обслуживание, так как они уже заплатили крупную авансовую премию за установку.

Больницы, школы и предприятия не могут позволить себе продолжать вкладывать деньги в солнечные системы, которые неожиданно выходят из строя через два года, когда они должны были проработать двадцать лет.

Но если никто не может или не желает платить за обслуживание, панели остаются неиспользованными и выбрасываются.

Дефицит земли и снижение стоимости недвижимости

Другая проблема заключается в том, что солнечная энергия может занять значительную часть земли и вызвать деградацию земель или потерю среды обитания для диких животных.

В то время как солнечные фотоэлектрические системы могут быть прикреплены к уже существующим структурам, для более крупных фотоэлектрических систем может потребоваться от 3,5 до 10 акров на мегаватт, а для объектов CSP требуется от 4 до 16,5 акров на мегаватт.

В зависимости от своего местоположения, более крупные солнечные электростанции могут вызывать опасения по поводу деградации земель и потери среды обитания.

Требования к общей площади земли варьируются в зависимости от технологии, топографии участка и интенсивности солнечного излучения.

В отличие от ветряных электростанций, у проектов по солнечной энергии меньше возможностей для совместного использования земли в сельскохозяйственных целях.

Однако воздействие на землю солнечных систем коммунального масштаба можно свести к минимуму, разместив их в местах с более низким качеством, таких как поля, заброшенные участки добычи полезных ископаемых или существующие транспортные и передающие коридоры.

Меньшие по размеру солнечные фотоэлектрические батареи, которые могут быть построены на домах или коммерческих зданиях, также оказывают минимальное воздействие на землепользование.

В последние годы реклама солнечных ферм привлекла внимание владельцев и оценщиков недвижимости.

Как и в случае любого крупномасштабного развития, изменение, представленное солнечной энергией в коммунальном масштабе, может быть поводом для беспокойства.

Скептики выражают беспокойство, связанное с последствиями пролива, проблемами дренажа, идеей замены продуктивных сельскохозяйственных земель промышленным использованием и многим другим.

Во многом это беспокойство сводится к одному: потенциальному влиянию на стоимость недвижимости.

Недавно завершенное исследование 400 000 транзакций в Новой Англии за 15 лет показало, что стоимость загородной жилой недвижимости пострадала от негативных последствий, когда близлежащие солнечные фермы заменили ресурсы, которые считались дефицитными, например, зеленые насаждения.

С другой стороны, это же исследование не обнаружило связанного воздействия на стоимость собственности солнечных ферм, расположенных в сельской местности.

Однако воздействие можно уменьшить, разместив объекты в районах с низким качеством или вдоль существующих транспортных и транспортных коридоров.

Отсутствие квалифицированных специалистов по солнечной энергии

Одним из основных препятствий для установки солнечных панелей является нехватка квалифицированных рабочих для выполнения этой работы.

Клиенты, устанавливающие солнечные панели, могут варьироваться от больниц, которым требуется более 20 киловатт электроэнергии, до небольших деревень, которым требуется менее 500 Вт для питания всей деревни.

Некоторое обучение необходимо, чтобы понять сложность этих систем.

К этой проблеме подходят по-разному.

Некоторые компании нанимают и обучают специальные монтажные бригады для работы в обширных районах.

Проблема с этим соглашением, однако, заключается в том, что перемещение между рабочими местами неэффективно, и любое время простоя становится очень дорогостоящим для компаний, пытающихся сохранить выделенные бригады в платежной ведомости.

С другой стороны, если эти компании нанимают независимых монтажных бригад, тогда обеспечить стандарты качества будет труднее.

Кроме того, компании зависят от ставок, устанавливаемых независимыми командами.

Не говоря уже о том, что в некоторых районах нет независимых монтажных бригад для найма.

Наличие квалифицированной рабочей силы является одной из важных проблем, и сектор солнечной энергетики может извлечь выгоду из найма рабочих с традиционных рынков труда с соответствующими навыками.

Однако на помощь приходит Программа развития Организации Объединенных Наций (ПРООН).

Недавно в Мали ПРООН оплатила обучение женщин-техников, занимающихся солнечными батареями, для выполнения установки, технического обслуживания и обслуживания всей их деревни.

Это не только решает одну из сложных проблем с солнечными установками, но и обучение дает экономический импульс для всей деревни.

Теперь женщины могут зарабатывать прожиточный минимум, чтобы поддерживать свои семьи.

Прерывистость - проблема качества электроэнергии

Одна из самых больших проблем, связанных с технологиями использования солнечной энергии, заключается в том, что энергия вырабатывается только тогда, когда светит солнце.

Это означает, что в ночное время и в пасмурные дни подача может быть прервана.

Дефицит, вызванный этим прерыванием, не был бы проблемой, если бы существовали недорогие способы хранения энергии, поскольку чрезвычайно солнечные периоды могут генерировать избыточную мощность.

Поскольку глобальные возможности солнечной энергии продолжают расти, такие страны, как Япония, и другие мировые лидеры в области технологий солнечной энергии сосредотачиваются на разработке адекватных хранилищ энергии для решения этой проблемы.

При интеграции фотоэлектрической системы с сетью наиболее важным параметром является качество электроэнергии.

Качество электроэнергии - это степень, в которой напряжение, частота и форма волны в системе электроснабжения соответствуют установленным спецификациям.

Хорошее качество электроэнергии можно определить как стабильное напряжение питания, которое остается в предписанном диапазоне, постоянная частота переменного тока, близкая к номинальному значению, и плавная кривая напряжения (напоминает синусоидальную волну).

Низкое качество электроэнергии может повредить электрические устройства и элементы распределения энергии, поскольку колебания частоты вызовут процессы в нежелательных областях.

Обсуждались различные проблемы с качеством электроэнергии:

Гармоники

Гармонические искажения - это основная проблема качества электроэнергии, которая учитывается при работе фотоэлектрических систем, подключенных к сети.

Гармоники - это нежелательные более высокие частоты, наложенные на основную форму волны, создавая искаженную волновую структуру, природу гармонических токов.

Частоты гармоник кратны основной частоте.

Основная причина гармоник в сетевых системах - это существующий силовой электронный механизм в фотоэлектрической системе.

Преобразование постоянного тока в переменный через инверторы; вводить в систему гармоники напряжения и тока, что приводит к проблемам с качеством электроэнергии.

Такое явление вызывает перегрев трансформаторов и конденсаторных батарей, делая систему все более нестабильной и ненадежной.

Изменение напряжения

Основной причиной колебаний напряжения в фотоэлектрических системах, интегрированных в сеть, является прерывистый характер солнечного излучения.

Неравномерное солнечное излучение происходит из-за преходящей облачности и других условий окружающей среды.

Все эти параметры приводят к нестабильности фотоэлектрической системы из-за колебаний напряжения.

Неравномерное изменение напряжения приводит к провалу и выбросу напряжения, а также к кратковременным и длительным прерываниям.

Когда напряжение питания падает на короткое время, это называется провалом напряжения (напряжение падает в диапазоне значений от 10% до 90% от среднеквадратичного напряжения).

Когда напряжение питания увеличивается на короткое время, это называется выбросом напряжения (напряжение превышает 110% от среднеквадратичного напряжения).

Кратковременные и длительные прерывания: прерывание определяется как снижение уровня подачи напряжения до менее 10% от номинального на срок до одной минуты, что называется прерыванием напряжения.

Если прерывание происходит менее чем на одну минуту, оно определяется как короткое прерывание, тогда как, если продолжительность превышает одну минуту, считается, что оно относится к прерыванию.

Однако термин «прерывание» обычно используется для обозначения кратковременного прерывания, в то время как последний начинается со слова «устойчивый» для обозначения длительного или длительного прерывания.

Реактивная сила

Очень часто фотоэлектрические системы предназначены для работы с коэффициентом мощности, близким к единице, так что они могут использовать максимум солнечной энергии.

В этом случае электрическая сеть получает реальную мощность от фотоэлектрической системы, которая регулирует отток реактивной мощности в фотоэлектрической системе.

Следовательно, напряжение на соседних шинах будет улучшено из-за недостаточной реактивной мощности.

Во время действия обычный отток мощности системы может иметь нежелательные результаты из-за недостаточной реактивной мощности.

Это может снизить мощность, которая влечет за собой недостаточную передачу.

Изменение частоты

Колебание частоты (колебание) - это отклонение от стандартного номинального значения (обычно 50 или 60 Гц) частоты энергосистемы.

Отклонение частоты от значения допуска (+/- 5%) плохо для фотоэлектрической системы и может привести к ее коллапсу.

В фотоэлектрической системе изменение частоты зависит от климатических условий, погоды и топографического положения, что может вызвать серьезные проблемы.

Дефицит материалов для фотоэлементов

Кремниевые солнечные элементы, которые в настоящее время доминируют на мировом рынке, страдают от трех фундаментальных ограничений.

Новый многообещающий способ создания высокоэффективных солнечных элементов, использующий перовскиты вместо кремния, может решить все три проблемы одновременно и увеличить производство электричества из солнечного света.

Первым серьезным ограничением кремниевых фотоэлектрических (ФЭ) элементов является то, что они сделаны из материала, который редко встречается в природе в чистом, необходимом элементарном виде.

Хотя недостатка в кремнии в виде диоксида кремния (пляжный песок) нет, требуется огромное количество энергии, чтобы избавиться от присоединенного к нему кислорода.

Обычно производители плавят диоксид кремния при температуре 1500-2000 градусов Цельсия в электродуговой печи.

Энергия, необходимая для работы таких печей, устанавливает фундаментальный нижний предел стоимости производства кремниевых фотоэлементов, а также увеличивает выбросы парниковых газов при их производстве.

Некоторые солнечные технологии требуют для своего производства редких материалов.

Однако это в первую очередь проблема фотоэлектрической технологии, а не технологии CSP.

Кроме того, это не столько недостаток известных запасов, сколько текущая добыча не может удовлетворить будущий спрос: многие из редких материалов являются побочными продуктами других процессов, а не объектом целенаправленных усилий по добыче полезных ископаемых.

Воздействие на окружающую среду

Хотя загрязнение, связанное с системами солнечной энергии, намного меньше по сравнению с другими источниками энергии, солнечная энергия может быть связана с загрязнением.

Транспортировка и установка солнечных систем были связаны с выбросами парниковых газов.

Единственный экологический недостаток солнечной технологии заключается в том, что она содержит многие из тех же опасных материалов, что и электроника.

Поскольку солнечная энергия становится все более популярным источником энергии, проблема удаления опасных отходов становится дополнительной проблемой.

Однако при условии, что проблема надлежащей утилизации будет решена, сокращение выбросов парниковых газов, которое предлагает солнечная энергия, сделает ее привлекательной альтернативой ископаемым видам топлива в ближайшем будущем.

Однако некоторые токсичные материалы и химические вещества используются для изготовления фотоэлектрических элементов, которые преобразуют солнечный свет в электричество.

Некоторые солнечные тепловые системы используют потенциально опасные жидкости для передачи тепла.

Утечки этих материалов могут нанести вред окружающей среде.

Законы США об охране окружающей среды регулируют использование и утилизацию этих материалов.

Как и любой тип электростанции, большие солнечные электростанции могут влиять на окружающую среду вблизи своего местоположения.

Расчистка земли для строительства и размещение электростанции может иметь долгосрочное воздействие на среду обитания местных растений и животных.

Некоторым солнечным электростанциям может потребоваться вода для очистки солнечных коллекторов и концентраторов или для охлаждения турбинных генераторов.

Использование больших объемов грунтовых или поверхностных вод для очистки коллекторов в некоторых засушливых районах может повлиять на экосистемы, зависящие от этих водных ресурсов.

Кроме того, луч концентрированного солнечного света, который создает башня солнечной энергии, может убить птиц и насекомых, которые прилетают в луч.

Тем не менее, солнечная энергия загрязняет гораздо меньше, чем другие альтернативные источники энергии.