關於太陽能 : 太陽能的挑戰

太陽能生產中的一些挑戰

• 太陽能電池板的效率

• 高初始資本和維護成本 PV 能源系統

• 土地稀缺和財產價值下降

• 缺乏熟練工人

• 間歇性和電能質量問題

• 光伏電池材料稀缺

• 環境不利因素

太陽能電池板效率

地球表面的平均太陽能功率為每平方米 174.7 瓦，一小時內，太陽向地球提供約 3.21 x 10^20 焦耳的能量。

這相當於 76,841 兆噸。在不到兩個小時的時間裡，太陽提供的能量比整個地球一年使用的能量還多。

但由於太陽能電池的效率較低，只有一小部分能量可以轉化為太陽能。

太陽能電池板是太陽能電池串聯或併聯的組合，構成一個完整的太陽能電池板。

同心太陽能電池包含光能吸收材料並將其轉換為電能。

太陽能電池的效率是有限的，因為無論陽光中可用的光子能量或能量包如何，一個光子只能激發一個電子。

太陽能光伏電池的最大效率也有限，稱為肖克利-奎西爾極限。

具有單個 pn 結的太陽能電池的最大太陽能轉換效率約為 46%（理論上），同心太陽光和實驗室數據已達到 27%。

對於商業用途，該效率僅為電池總尺寸的 16%。這意味著當陽光照射在太陽能電池上時，它只能將 16% 的陽光能量轉化為進一步使用，其餘的能量將被浪費掉。

高電池效率提供了較低的單位成本，因為它需要更少的表面積來產生相同的功率峰值（Wp - 太陽能電池在全太陽輻射下產生的輸出功率），從而減少了所需的電池數量。

簡而言之，隨著效率的提高，太陽能發電技術作為一種能源具有巨大的潛力。

光伏能源系統的高初始資本和維護成本

雖然安裝太陽能電池板從長遠來看會帶來巨大的好處，但前期成本可能是懲罰性的。

太陽能電池板還需要逆變器和蓄電池將直流電轉換為交流電來發電。

雖然安裝太陽能電池板非常便宜，但安裝其他設備變得昂貴。

根據您選擇購買太陽能電池板的公司，它可能會花費您的胳膊和腿。

如果沒有製造公司的幫助，甚至很難量化整個安裝成本。

一些國家推出了退稅和稅收抵免，讓很多人能夠安裝太陽能電池板，但除非你為此存一些錢，否則這可能是無法承受的成本。

此外，您可能需要長達 10 年到 15 年的時間才能實現初始投資收支平衡。

這不是投資回收期是多少。任何可以減少我們對化石燃料依賴的東西都值得嘗試。

安裝和維護尤其經常被低估，但它與使太陽能電氣化成為棘手前景的其他挑戰一樣重要。

另一個挑戰與購買太陽能電池板的交易結構有關。大多數太陽能電池板安裝是一次性交易，客戶支付電池板、設備和安裝費用。

該公司提供這些產品，然後自己安裝面板或聘請獨立安裝人員。

在這些交易中，當太陽能電池板發生故障時，通常不清楚誰來支付維護費用。

許多公司幾乎沒有經濟能力在多年後將維修技術人員帶到偏遠地區進行維修（除了聲譽和客戶滿意度，一些公司不一定感興趣），因為大多數公司都在努力賺錢。

客戶通常也無法為維護支付太多額外費用，因為他們已經為安裝支付了大量的前期費用。

醫院、學校和企業無法繼續向太陽能係統投入大量資金，而這些太陽能係統在本應工作 20 年的兩年後意外崩潰。

但是如果沒有人能夠或願意支付維護費用，這些面板就會被閒置和浪費掉。

土地稀缺和財產價值下降

另一個擔憂是太陽能可能會佔用大量土地並導致土地退化或野生動物棲息地喪失。

雖然太陽能光伏系統可以固定在現有結構上，但更大的公用事業規模光伏系統可能需要每兆瓦 3.5 到 10 英畝，而 CSP 設施需要每兆瓦 4 到 16.5 英畝。

根據它們的位置，更大的公用事業規模的太陽能設施可能會引起對土地退化和棲息地喪失的擔憂。

總土地面積要求因技術、場地地形和太陽能資源強度而異。

與風能設施不同，太陽能項目與農業用途共享土地的機會較少。但是，可以通過將公用事業規模的太陽能係統放置在質量較低的地方，例如田地、廢棄的礦區或現有的運輸和輸電走廊，來最大限度地減少對土地的影響。

較小規模的太陽能光伏陣列可以建在家庭或商業建築上，對土地使用的影響也很小。

近年來，圍繞太陽能發電場的宣傳引起了業主和評估師的關注。

與任何大規模開發一樣，公用事業規模太陽能所代表的變化可能會引起關注。

反對者表達了對棚屋影響、排水問題、用工業用途取代生產性農業用地的想法等方面的擔憂。

這種擔憂在很大程度上可以歸結為一件事：對房地產價值的潛在影響。

最近完成的一項對新英格蘭 15 年來 400,000 筆交易的研究發現，當附近的太陽能發電場取代被認為稀缺的資源（如綠地）時，郊區住宅物業的價值會受到負面影響。另一方面，同一項研究發現對位於農村地區的太陽能發電場的財產價值沒有相關影響。

但是，可以通過將設施放置在低質量地區或現有運輸和輸電走廊沿線來減少影響。

缺乏熟練的太陽能工人

安裝太陽能電池板的一個主要障礙是缺乏熟練的工人來完成這項工作。

太陽能電池板安裝的客戶範圍可以從需要超過 20 千瓦電力的醫院到需要不到 500 瓦為整個村莊供電的小村莊。

要了解這些系統的複雜性，需要進行一些培訓。正在以幾種不同的方式解決這個問題。

一些公司正在招聘和培訓專門的安裝人員，以便在廣闊的區域內進行工作。

然而，這種安排的問題在於，在工作地點之間的旅行效率低下，對於試圖在工資單上保留專職人員的公司來說，任何停機時間都會變得非常昂貴。

另一方面，如果這些公司僱用獨立的安裝人員，則很難確保質量標準。此外，公司對獨立工作人員設定的費率感到心血來潮。

更不用說，在某些地區，沒有獨立的安裝人員可供租用。

獲得適當技能的勞動力是一項突出的挑戰，太陽能行業可能會受益於從傳統勞動力市場僱用具有相關技能的工人。

然而，聯合國開發計劃署（UNDP）正在介入提供幫助。

最近，在馬里，聯合國開發計劃署支付了培訓女性太陽能技術人員為整個村莊進行安裝、維護和服務的費用。

這不僅解決了太陽能裝置的難題之一，而且培訓還為整個村莊提供了經濟增長。婦女現在能夠賺取生活工資，以幫助進一步養家糊口。

間歇性-電能質量問題

太陽能技術帶來的最大問題之一是，只有在陽光明媚的時候才能產生能量。

這意味著夜間和陰天可能會中斷供應。

如果有低成本的能源儲存方式，這種中斷造成的短缺就不會成為問題，因為陽光充足的時期會產生過剩的容量。

隨著全球太陽能發電能力的不斷提高，日本等國家和太陽能技術領域的其他全球領先者正致力於開發足夠的儲能來解決這一問題。

在光伏系統與電網並網的過程中，最重要的參數是電能質量。

電能質量是指供電系統的電壓、頻率和波形符合既定規範的程度。

良好的電能質量可以定義為電源電壓穩定在規定範圍內，交流頻率穩定接近額定值，電壓曲線波形平滑（類似正弦波）。

不足的電能質量會開始損害電氣設備和配電元件，因為頻率變化會在不希望的區域引起過程。

討論了不同的電能質量問題：

諧波

諧波失真是並網光伏系統運行中需要考慮的主要電能質量問題。

諧波是疊加在基本波形上的不需要的較高頻率，會產生失真的波形，這是諧波電流的性質。

諧波頻率是基本頻率的基本倍數。

並網系統諧波產生的主要原因是光伏系統中現有的電力電子機制。

通過逆變器將直流電轉換為交流電；將電壓和電流諧波注入系統，從而導致電能質量問題。

這種現象導致變壓器和電容器組過熱，使系統越來越不穩定和不可靠。

電壓變化

電網集成光伏系統電壓變化的主要原因是太陽輻照度的間歇性。

不均勻的太陽輻照度是由於短暫的雲層和其他環境條件造成的。

所有這些參數都會通過電壓變化過程導致光伏系統不穩定。

不均勻的電壓變化會導致電壓驟降和驟升以及短時和長時中斷。

當電源電壓短時間下降時，稱為電壓下降（電壓下降幅度為RMS電壓的10%-90%）。

當電源電壓在短時間內升高時，稱為電壓驟升（電壓升高超過 RMS 電壓的 110%）。

短期和長期中斷：中斷定義為電壓供應水平下降到低於標稱值的 10%，持續時間長達一分鐘，稱為電壓中斷。

如果中斷發生的時間少於一分鐘，則定義為短暫中斷，如果持續時間大於一分鐘，則稱為中斷。

但是，“中斷”一詞通常用於指代短暫的中斷，而後者以“持續”一詞為首，表示長時間或長時間的中斷。

無功功率

很多時候，光伏系統旨在以接近統一功率因數的方式工作，以便它可以最大限度地利用太陽能。

在這種情況下，電網從光伏系統獲得實際功率，該系統將調整光伏系統中無功功率的流出。

因此，由於無功功率不足，附近母線電壓將得到改善。

在整個操作過程中，由於無功功率不足，系統通常的功率流出可能會產生不良後果。

這可能會降低導致傳輸不足的功率。

頻率變化

頻率變化（波動）是電力系統頻率標準標稱值（通常為 50 或 60Hz）的變化。

超出容差值 (+/-5%) 的頻率變化對 PV 系統不利，可能會導致系統崩潰。

在光伏系統中，頻率變化取決於氣候條件、天氣和地形位置，這可能會導致嚴重的問題。

光伏電池材料稀缺

目前主導世界市場的矽太陽能電池受到三個基本限制。

一種使用鈣鈦礦代替矽來製造高效太陽能電池的有前途的新方法可以同時解決所有這三個問題，並為太陽能發電提供增壓。

矽光伏 (PV) 電池的第一個主要限制是它們由在自然界中很少以所需的純元素形式存在的材料製成。

雖然不乏以二氧化矽（沙灘）形式存在的矽，但要去除附著在其上的氧氣需要大量的能量。

通常，製造商在電極電弧爐中以 1500-2000 攝氏度的溫度熔化二氧化矽。

運行此類熔爐所需的能源為矽光伏電池的生產成本設定了一個基本的下限，同時也增加了製造過程中溫室氣體的排放。

某些太陽能技術在其生產中需要稀有材料。然而，這主要是光伏技術的問題，而不是 CSP 技術的問題。

此外，與其說是缺乏已知儲量，不如說是目前的產量無法滿足未來的需求：許多稀有材料是其他工藝的副產品，而不是有針對性的採礦工作的重點。

對環境造成的影響

儘管與其他能源相比，與太陽能係統相關的污染要少得多，但太陽能可能與污染有關。

太陽能係統的運輸和安裝與溫室氣體排放有關。

太陽能技術的一個環境不利因素是它包含許多與電子產品相同的危險材料。

隨著太陽能成為一種更受歡迎的能源，危險廢物的處理問題成為一個額外的挑戰。

然而，假設正確處置的挑戰得到滿足，太陽能提供的減少的溫室氣體排放使其成為未來化石燃料的有吸引力的替代品。

然而，一些有毒材料和化學品用於製造將陽光轉化為電能的光伏 (PV) 電池。

一些太陽能熱系統使用具有潛在危險的流體來傳遞熱量。這些材料的洩漏可能對環境有害。美國環境法規範這些類型材料的使用和處置。

與任何類型的發電廠一樣，大型太陽能發電廠會影響其所在地附近的環境。

清理建設用地和安置發電廠可能會對本地動植物的棲息地產生長期影響。

一些太陽能發電廠可能需要水來清潔太陽能收集器和聚光器或冷卻渦輪發電機。

在一些乾旱地區使用大量地下水或地表水清潔收集器可能會影響依賴這些水資源的生態系統。

此外，太陽能發電塔產生的集中陽光光束可以殺死飛入光束的鳥類和昆蟲。

儘管如此，太陽能的污染遠小於其他替代能源。