Фотоэлектричество и типы панелей

Как работают солнечные панели

Солнечная панель преобразует солнечный свет прямо в электричество, используя фотоэлектрический (ФЭ) эффект. Когда фотоны солнечного света попадают на полупроводниковый материал (обычно кремний), они выбивают электроны. Эти электроны текут через цепь, создавая постоянный ток (DC) электроэнергии.

Существует три основных типа солнечных панелей:

- Монокристаллические — вырезаны из одного кремниевого кристалла. Наивысшая эффективность (20-24%), самые дорогие, узнаваемы по однородному темному виду.

- Поликристаллические — изготовлены из расплавленных кремниевых фрагментов. Немного более низкая эффективность (15-20%), дешевле в производстве, с пятнистым синим видом.

- Тонкопленочные — тонкий слой фотоэлектрического материала (например, теллурид кадмия) нанесен на стекло или гибкий субстрат. Более низкая эффективность (10-13%), но легкие, гибкие и дешевые. Используются в строительно-интегрированных приложениях.

Инверторы и сетевой учет

Солнечные панели производят электроэнергию постоянного тока, но сеть и большинство приборов работают на переменном токе (AC). Инвертор преобразует DC в AC. В жилых системах есть два основных типа:

- Строчные инверторы — один центральный инвертор для всего массива. Дешевле, но если одна панель затенена, это снижает производительность всей строки.

- Микроинверторы — один маленький инвертор на каждую панель. Дороже, но каждая панель работает независимо, поэтому затенение одной панели не влияет на другие.

Сетевой учет позволяет владельцам жилых солнечных систем продавать избыток электроэнергии обратно в сеть. Ваш счетчик буквально вращается в обратном направлении, когда вы производите больше, чем потребляете. Политика сильно различается по штатам и коммунальным предприятиям — некоторые предлагают полный розничный кредит, другие предлагают оптовые ставки, а некоторые постепенно отказываются от сетевого учета.

Масштаб: крышные системы и солнечные фермы

Жилые крышные системы обычно имеют мощность 5-15 кВт. Коммунальные солнечные фермы могут превышать 1 ГВт — охватывая тысячи акров с системами отслеживания, которые следят за движением солнца через небо. Экономика различается на каждом масштабе: крышные системы компенсируют розничные цены на электроэнергию, а коммунальные системы конкурируют по оптовым ставкам.

Конструкция турбины и мощность

Как работают ветротурбины

Ветротурбина преобразует кинетическую энергию движущегося воздуха в электричество. Основная структура:

- Лопасти ротора — обычно три, имеют форму крыла самолета. Воздух, обтекающий лопасть, создает подъемную силу, вращая ротор. Современные лопасти могут превышать 100 метров в длину.

- Гондола — корпус в верхней части башни, содержащий редуктор (в системах с редуктором), генератор и системы управления. Некоторые современные конструкции используют прямые генераторы привода, исключая редуктор.

- Башня — стальная или бетонная, обычно высотой 80-160 метров. Более высокие башни имеют доступ к более быстрому и стабильному ветру.

- Фундамент — наземные турбины стоят на усиленном бетоне. Морские турбины используют монопалы, забитые в морское дно, свайные фундаменты или плавучие платформы.

Мощность ветра

Мощность ветра пропорциональна кубу скорости ветра. Удвоив скорость ветра, вы получите в восемь раз больше мощности. Вот почему выбор места имеет огромное значение — место с средней скоростью ветра 15 миль/ч производит намного больше энергии, чем место с 10 миль/ч.

Наземная против морской

Наземная ветровая энергия дешевле в строительстве и обслуживании. Великие равнины США и Техас доминируют в наземной ветровой энергии. Коэффициент использования обычно составляет 25-45%.

Морская ветровая энергия дороже, но отдача больше — более сильный и стабильный ветер, коэффициент использования выше (40-60%). Морская энергия также избегает споров об использовании земли и визуальных возражений. Восточное побережье США видит крупные разработки в области морской энергии, с проектами, такими как Vineyard Wind у побережья Массачусетса.

Непостоянство

Ветер переменчив. Он дует сильнее ночью, чем днем во многих местах, что фактически дополняет солнечную энергию. Но бывают безветренные дни, и бури могут вынудить турбины остановиться в целях безопасности. Управление непостоянством — это не вопрос одной технологии. Это вопрос разнообразного портфеля и хранения, о чем мы поговорим дальше.

Технологии хранения энергии

Почему хранение важно

Солнечная энергия производится, когда светит солнце. Ветер дует, когда дует. Но люди хотят электричество в 19:00, когда они приходят домой, включают свет, готовят ужин и заряжают свой автомобиль. Хранение заполняет разрыв между тем, когда энергия генерируется и когда она потребляется.

Накопление батареи

Литий-ионные батареи доминируют на текущем рынке. Та же химия, что в вашем телефоне и ноутбуке, только в больших масштабах — размером с контейнеры для доставки. Tesla Megapack, батареи Fluence и десятки конкурентов развертывают гигаватт-часы хранилища по всему миру.

- Преимущества: быстрое время отклика (миллисекунды), модульная конструкция, снижающиеся затраты.

- Недостатки: типичная продолжительность 4 часа (недостаточно для многодневных событий), добыча лития имеет экологические издержки, деградация со временем.

Другие химические составы батарей

Появляются новые химические составы батарей: батареи с железным воздухом (Form Energy) обещают более 100 часов хранилища по низкой цене. Натриево-ионные батареи избегают лития полностью. Проточные батареи (например, ванадиевые окислительно-восстановительные) могут масштабировать продолжительность независимо от мощности.

Гидроаккумулирующая система

Самая старая и самая большая форма хранилища сети. Вода закачивается вверх в резервуар, когда электричество дешево, а затем выпускается вниз через турбины, когда электричество дорого. Более 90% хранилища сети во всем мире — это гидроаккумулирующие системы. Это проверено, долговечно и может хранить огромное количество энергии — но требует специфической географии (два резервуара на разных высотах).

Утиная кривая

В Калифорнии и других солнечных сетях чистый спрос (общий спрос минус солнечная генерация) образует форму, похожую на утку, когда наносится на график за день. В полдень солнце заливает сеть, и чистый спрос падает. Вечером солнце исчезает, и спрос резко возрастает, когда люди приходят домой. Сеть должна быстро повысить другие генераторы, чтобы заполнить разрыв — крутая шея утки.

Утиная кривая становится глубже с каждым годом, когда добавляется больше солнечной энергии. Хранение, реагирование спроса (выплаты потребителям за смещение потребления) и динамическое ценообразование в зависимости от времени использования — все это стратегии для уменьшения утки.

Умная сеть

Умная сеть использует датчики, автоматизацию и двусторонние коммуникации для динамического управления потоками электричества. Умные счетчики позволяют коммунальным предприятиям видеть потребление в реальном времени. Автоматические переключатели перенаправляют электроэнергию вокруг сбоев. Программы реагирования спроса сигнализируют устройствам снизить потребление в пиковые периоды. Переход от глупой сети (односторонний поток электроэнергии от крупных электростанций к пассивным потребителям) к умной сети (распределенной, интерактивной, отзывчивой) столь же важен, как и сам переход поколения.

Гидроэлектричество, геотермальная энергия, ядерная энергия и водород

Гидроэлектричество

Падающая вода вращает турбины. Это просто, проверено временем и обеспечивает примерно 16% глобального электричества. Крупные плотины (такие как плотина Гувера или плотина Три ущелья) могут производить гигаватты. Гидроэлектростанции малого масштаба «русловые» отводят часть ручья через турбину без большого водохранилища.

- Преимущества: управляемая, долгоживущая (50-100+ лет), низкие операционные затраты, двойная функция как защита от наводнений и водоснабжение.

- Недостатки: воздействие на окружающую среду (измененные речные экосистемы, перемещенные общины), зависимость от географии, уязвимость к засухе, большинство хороших мест уже разработаны.

Геотермальная энергия

Тепло из внутренней части Земли приводит в движение паровые турбины. Исландия генерирует 25% своего электричества из геотермальной энергии. Западная часть США имеет значительные геотермальные ресурсы.

- Преимущества: базовая электроэнергия (работает 24/7), крошечный след на земле, практически нулевые выбросы.

- Недостатки: ограниченность по местоположению (нужен доступный источник тепла), высокие первоначальные затраты на скважины, риск бурения с недостаточными ресурсами.

- Возникающие: Улучшенные геотермальные системы (EGS) закачивают воду в горячие сухие породы для создания искусственных резервуаров, потенциально открывая геотермальную энергию где угодно. Компании, такие как Fervo Energy, демонстрируют эту технологию.

Ядерная энергия

Ядерное деление расщепляет атомы урана для производства тепла, которое приводит в движение паровые турбины. Он производит около 10% глобального электричества с практически нулевыми углеродными выбросами при эксплуатации.

- Преимущества: огромная плотность энергии, надежная базовая нагрузка, маленький след на земле, низкие выбросы в течение жизненного цикла.

- Недостатки: высокие затраты на строительство и длительное время разработки, хранилище радиоактивных отходов (десятки тысяч лет), проблемы восприятия общественностью, нормативная сложность.

- Возникающие: Малые модульные реакторы (SMR) обещают построенные на фабрике, дешевые, безопасные ядерные системы. Компании, такие как NuScale и X-energy, получают одобрение NRC.

Водород

Водород не является источником энергии — это носитель энергии. Вы должны его производить, используя энергию откуда-нибудь еще.

- Зеленый водород — производится путем электролиза воды с использованием возобновляемой электроэнергии. Чистый, но в настоящее время дорогой.

- Серый водород — производится из природного газа через паровое риформинг метана. Дешевый, но производит CO2.

- Голубой водород — серый водород с захватом углерода. Дискуссионная эффективность.

Водород наиболее перспективен для приложений, которые трудно электрифицировать: тяжелая промышленность (производство стали), дальние грузовики, судоходство и долгосрочное хранилище энергии.

Работа в сфере чистой энергии

Рынок рабочих мест чистой энергии

Энергопереход создает рабочие места быстрее, чем почти любой другой сектор. Бюро статистики труда США перечисляет техника по ветротурбинам и монтер солнечных батарей среди самых быстрорастущих профессий. Но варианты карьеры выходят далеко за пределы подъема на башни и установки панелей.

Монтер фотоэлектрических систем — проектирование, установка и обслуживание жилых и коммерческих солнечных систем. Физическая работа на крышах. Средняя зарплата около 47 000 долларов, но опытные монтеры и начальники бригад зарабатывают значительно больше. Путь входа: техническое училище, apprenticeship или обучение на рабочем месте.

Техник ветротурбины — обслуживание и ремонт ветротурбин, часто на высотах выше 80 метров. Требует комфорта с высотой, механической хватки и готовности работать в отдаленных местах. Средняя зарплата около 57 000 долларов. Обучение: 2-летняя техническая степень в области технологии ветровой энергии.

Инженер-электрик — проектирование энергетических систем, инверторов, сетевых соединений и систем управления. Требуется степень бакалавра, лицензия PE ценна. Средняя зарплата около 100 000 долларов. Специализация на энергосистемах или возобновляемых источниках открывает двери у коммунальных предприятий, разработчиков и производителей оборудования.

Аудитор энергии — оценка зданий для энергоэффективности, рекомендации улучшений и проверка сбережений. Сочетает технические знания и коммуникативные навыки. Сертификаты: BPI (Building Performance Institute) или RESNET HERS Rater.

Сертификация NABCEP — North American Board of Certified Energy Practitioners предлагает золотой стандартный сертификат для специалистов в области солнечной энергии. Сертифицированные установщики и конструкторы NABCEP получают более высокие зарплаты и предпочитаются работодателями. Сертификаты включают Professional PV Installation, PV Design Specialist и PV Technical Sales.

Другие пути — разработчик проектов, инженер хранилища энергии, оператор сети, специалист по соответствию окружающей среде, аналитик энергетической политики, менеджер коммунальных строительных работ, планировщик инфраструктуры зарядки электромобилей. Область широка и растет.

Что у них общего

Каждая из этих карьер требует понимания основ, которые вы изучили в этом уроке: как работает производство, как сеть балансирует предложение и спрос, как хранилище заполняет пробелы и как различные технологии работают вместе. Люди, которые преуспевают в чистой энергии, — это системные мыслители.