Photovoltaic và các loại tấm

Tấm pin mặt trời hoạt động như thế nào

Một tấm pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện (PV). Khi các photon từ ánh sáng mặt trời va chạm vào vật liệu bán dẫn (thường là silicon), chúng đánh rơi các electron. Những electron đó chảy qua một mạch, tạo ra dòng điện một chiều (DC).

Có ba loại tấm pin mặt trời chính:

- Đơn tinh thể — Cắt từ một tinh thể silicon duy nhất. Hiệu quả cao nhất (20-24%), đắt nhất, có thể nhận biết bằng diện mạo tối đồng nhất của chúng.

- Đa tinh thể — Làm từ các mảnh silicon nấu chảy. Hiệu quả hơi thấp hơn (15-20%), rẻ hơn để sản xuất, với vẻ ngoài xanh có chấm.

- Màng mỏng — Một lớp vật liệu quang điện mỏng (như cadmium telluride)沉积trên thủy tinh hoặc chất nền linh hoạt. Hiệu quả thấp hơn (10-13%) nhưng nhẹ, linh hoạt và rẻ. Được sử dụng trong các ứng dụng tích hợp vào tòa nhà.

Bộ chuyển đổi và Đấu nối với lưới

Tấm pin mặt trời sản xuất năng lượng DC, nhưng lưới điện và hầu hết các thiết bị chạy trên dòng điện xoay chiều (AC). Một bộ chuyển đổi chuyển đổi DC thành AC. Trong các hệ thống dân cư, có hai loại chính:

- Bộ chuyển đổi chuỗi — Một bộ chuyển đổi trung tâm cho toàn bộ mảng. Rẻ hơn, nhưng nếu một tấm bị che phủ, nó kéo xuống toàn bộ chuỗi.

- Bộ chuyển đổi vi mô — Một bộ chuyển đổi nhỏ cho mỗi tấm. Đắt hơn nhưng mỗi tấm hoạt động độc lập, vì vậy che phủ trên một tấm không ảnh hưởng đến những tấm khác.

Đấu nối với lưới cho phép chủ nhà có năng lượng mặt trời bán điện dư thừa trở lại lưới. Công tơ của bạn thực sự quay ngược lại khi bạn sản xuất nhiều hơn so với tiêu thụ. Chính sách khác nhau rộng rãi theo tiểu bang và công ty tiện ích — một số cung cấp tín dụng bán lẻ đầy đủ, những người khác cung cấp tỷ giá bán buôn, và một số đang loại bỏ đấu nối với lưới.

Tỷ lệ: Mái nhà so với Trang trại mặt trời

Các hệ thống mái nhà dân cư thường là 5-15 kW. Các trang trại mặt trời quy mô công suất có thể vượt quá 1 GW — bao phủ hàng nghìn mẫu với các hệ thống theo dõi theo dõi mặt trời trên bầu trời. Kinh tế ở mỗi quy mô là khác nhau: mái nhà bù giá điện bán lẻ, trong khi quy mô công suất cạnh tranh ở giá bán buôn.

Thiết kế và công suất tua-bin

Tua-bin gió hoạt động như thế nào

Một tua-bin gió chuyển đổi năng lượng động học từ không khí chuyển động thành điện. Giải phẫu cơ bản:

- Cánh quạt rotor — Thường là ba, có hình dáng như cánh máy bay. Gió chảy qua cánh tạo ra lực nâng, xoay rotor. Các cánh hiện đại có thể vượt quá 100 mét dài.

- Nhà máy — Vỏ ở đỉnh tháp chứa hộp số (trong các tua-bin có hộp số), máy phát điện và các hệ thống điều khiển. Một số thiết kế hiện đại sử dụng máy phát trực tiếp, loại bỏ hộp số.

- Tháp — Thép hoặc bê tông, thường là 80-160 mét cao. Tháp cao hơn truy cập gió nhanh hơn, nhất quán hơn.

- Móng — Tua-bin trên cạn ngồi trên bê tông gia cố. Tua-bin ngoài khơi sử dụng những cọc đơn chạy vào đáy biển, những móng áo, hoặc những nền tảng nổi.

Năng lượng trong gió

Năng lượng gió tỷ lệ với khối tốc độ gió. Gấp đôi tốc độ gió và bạn nhận được tám lần năng lượng. Đây là lý do tại sao lựa chọn trang web rất quan trọng — một vị trí có tốc độ gió trung bình 15 mph sản xuất năng lượng nhiều hơn những vị trí có 10 mph.

Trên cạn so với Ngoài khơi

Trên cạn gió rẻ hơn để xây dựng và bảo trì. Đồng bằng lớn ở Mỹ và Texas thống trị gió trên cạn. Hệ số công suất thường dao động từ 25-45%.

Ngoài khơi gió đắt hơn nhưng tiền lương là gió mạnh hơn, nhất quán hơn và hệ số công suất cao hơn (40-60%). Ngoài khơi cũng tránh được xung đột sử dụng đất và phản đối trực quan. Bờ biển Đông Mỹ đang chứng kiến sự phát triển ngoài khơi lớn, với các dự án như Vineyard Wind ngoài khơi Massachusetts.

Tính biến động

Gió biến đổi. Nó thổi mạnh hơn vào ban đêm hơn vào ban ngày ở nhiều vị trí, điều này thực sự bổ sung cho năng lượng mặt trời. Nhưng có những ngày yên tĩnh và cơn bão có thể buộc tua-bin phải tắt để an toàn. Quản lý tính biến động không phải về bất kỳ công nghệ duy nhất — nó là về đa dạng hóa danh mục đầu tư và lưu trữ, mà chúng tôi sẽ đề cập tiếp theo.

Công nghệ lưu trữ năng lượng

Tại sao lưu trữ lại quan trọng

Năng lượng mặt trời sản xuất khi mặt trời chiếu sáng. Gió thổi khi nó thổi. Nhưng mọi người muốn điện lúc 7 chiều khi họ về nhà, bật đèn, nấu ăn và sạc xe của họ. Lưu trữ cầu nối khoảng cách giữa khi năng lượng được tạo ra và khi nó được tiêu thụ.

Lưu trữ pin

Pin lithium-ion thống trị thị trường hiện tại. Hóa học tương tự như trong điện thoại và máy tính xách tay của bạn, được mở rộng lên các đơn vị kích thước vỏ vận chuyển. Megapack của Tesla, pin lưới của Fluence và hàng chục đối thủ cạnh tranh đang triển khai gigawatt-giờ lưu trữ trên toàn thế giới.

- Điểm mạnh: Thời gian phản ứng nhanh (millisecond), mô-đun, chi phí giảm.

- Điểm yếu: Khoảng thời gian 4 giờ là điển hình (không đủ cho các sự kiện multi-ngày), khai thác lithium có chi phí môi trường, suy giảm theo thời gian.

Các hóa học pin khác đang nổi lên: pin sắt-không khí (Năng lượng Hình thức) hứa hẹn hơn 100 giờ lưu trữ với chi phí thấp. Pin natrium-ion tránh hoàn toàn lithium. Pin dòng chảy (như vanadi redox) có thể mở rộng khoảng thời gian độc lập với năng lượng.

Thủy điện bơm

Hình thức lưu trữ lưới lâu đời nhất và lớn nhất. Nước được bơm lên một hồ chứa khi điện rẻ, sau đó được giải phóng xuống dưới các tua-bin khi điện đắt. Hơn 90% lưu trữ lưới trên toàn thế giới là thủy điện bơm. Nó được chứng minh, lâu dài và có thể lưu trữ một lượng năng lượng khổng lồ — nhưng nó yêu cầu địa lý cụ thể (hai hồ chứa ở các độ cao khác nhau).

Đường cong con vịt

Ở California và các lưới khác có năng lượng mặt trời nặng, nhu cầu ròng (tổng nhu cầu trừ đi phát điện mặt trời) tạo thành hình dáng như một con vịt khi được vẽ trong một ngày. Vào giữa ngày, năng lượng mặt trời tràn vào lưới và nhu cầu ròng sụt giảm. Vào chiều tối, mặt trời biến mất và nhu cầu tăng vọt khi mọi người về nhà. Lưới phải tăng cường các máy phát điện khác một cách nhanh chóng để lấp đầy khoảng trống — cái cổ dốc của con vịt.

Đường cong con vịt trở nên sâu hơn mỗi năm khi thêm nhiều năng lượng mặt trời. Lưu trữ, phản ứng nhu cầu (thanh toán khách hàng để thay đổi tiêu thụ) và định giá theo thời gian sử dụng là tất cả các chiến lược để làm phẳng con vịt.

Lưới thông minh

Một lưới thông minh sử dụng cảm biến, tự động hóa và giao tiếp hai chiều để quản lý dòng điện một cách linh hoạt. Công tơ thông minh cho phép công ty tiện ích xem tiêu thụ trong thời gian thực. Những công tắc tự động định hướng lại điện xung quanh các lỗi. Các chương trình phản ứng nhu cầu báo hiệu các thiết bị để giảm tiêu thụ trong các giai đoạn cao điểm. Sự chuyển đổi từ một lưới ngu (dòng năng lượng một chiều từ các nhà máy lớn đến người tiêu dùng thụ động) thành một lưới thông minh (phân tán, tương tác, phản ứng) cũng quan trọng như sự chuyển đổi tạo ra chính nó.

Thủy điện, Địa nhiệt, Năng lượng hạt nhân và Hydrogen

Năng lượng thủy điện

Nước rơi xoay tua-bin. Nó đơn giản, được chứng minh và cung cấp khoảng 16% điện toàn cầu. Các đập lớn (như Đập Hoover hoặc Ba Xã) có thể tạo ra gigawatt. Thủy điện chạy dòng nhỏ chuyển hướng một phần luồng qua một tua-bin mà không cần một hồ chứa lớn.

- Ưu điểm: Có thể điều độc lập, lâu dài (50-100+ năm), chi phí vận hành thấp, cũng đóng vai trò kiểm soát lũ lụt và cung cấp nước.

- Bất lợi: Tác động môi trường (các hệ thống sông bị thay đổi, cộng đồng bị di dời), phụ thuộc vào địa lý, dễ bị tổn thương bởi hạn hán, hầu hết các vị trí tốt đã phát triển.

Năng lượng địa nhiệt

Nhiệt từ bên trong Trái đất điều khiển tua-bin hơi. Iceland tạo ra 25% điện từ địa nhiệt. Tây Mỹ có các tài nguyên địa nhiệt đáng kể.

- Ưu điểm: Năng lượng tải cơ sở (chạy 24/7), vệt đất nhỏ, gần như không phát thải.

- Bất lợi: Giới hạn vị trí (cần truy cập vào nhiệt), chi phí khoan sơ bộ cao, rủi ro khoan vào tài nguyên không đủ.

- Nổi lên: Hệ thống địa nhiệt tăng cường (EGS) tiêm nước vào đá nóng khô để tạo ra hồ chứa nhân tạo, có khả năng mở khóa địa nhiệt ở bất cứ đâu. Các công ty như Fervo Energy đang chứng minh công nghệ này.

Năng lượng hạt nhân

Phân tách hạt nhân chia các nguyên tử uranium để sản xuất nhiệt, điều này điều khiển tua-bin hơi. Nó tạo ra khoảng 10% điện toàn cầu với phát thải carbon gần như bằng không trong hoạt động.

- Ưu điểm: Mật độ năng lượng khổng lồ, tải cơ sở đáng tin cậy, vệt đất nhỏ, phát thải vòng đời thấp.

- Bất lợi: Chi phí xây dựng cao và thời gian xây dựng dài, lưu trữ chất thải phóng xạ (hàng chục nghìn năm), thách thức cảm nhận công chúng, độ phức tạp theo quy định.

- Nổi lên: Lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMRs) hứa hẹn xây dựng nhà máy, rẻ hơn, an toàn hơn năng lượng hạt nhân. Các công ty như NuScale và X-energy đang theo đuổi phê duyệt NRC.

Hydrogen

Hydrogen không phải là một nguồn năng lượng — nó là một tải năng lượng. Bạn phải tạo ra nó bằng năng lượng từ nơi khác.

- Hydrogen xanh — Được tạo ra bằng cách điện phân nước bằng điện năng lượng tái tạo. Sạch nhưng hiện tại đắt.

- Hydrogen xám — Được tạo ra từ khí tự nhiên thông qua cải tạo khí metan bằng hơi. Rẻ nhưng sản xuất CO2.

- Hydrogen xanh lam — Hydrogen xám với bắt giữ carbon. Hiệu quả được tranh luận.

Hydrogen hứa hẹn nhất cho các ứng dụng khó điện hóa: công nghiệp nặng (luyện thép), vận chuyển đường dài, vận chuyển biển và lưu trữ năng lượng lâu dài.

Làm việc trong năng lượng sạch

Thị trường việc làm năng lượng sạch

Sự chuyển đổi năng lượng đang tạo ra công việc nhanh hơn hầu hết bất kỳ ngành công nghiệp nào khác. Cục Thống kê Lao động Mỹ liệt kê kỹ thuật viên tua-bin gió và người lắp đặt năng lượng mặt trời trong những nghề tăng trưởng nhanh nhất. Nhưng các tùy chọn sự nghiệp vượt xa việc leo tháp và gắn các tấm.

Người lắp đặt Photovoltaic mặt trời — Thiết kế, lắp đặt và bảo trì các hệ thống năng lượng mặt trời dân cư và thương mại. Công việc vật lý trên mái nhà. Mức lương trung bình khoảng $47.000, nhưng những người lắp đặt có kinh nghiệm và trưởng nhóm kiếm được đáng kể hơn. Đường dẫn vào: trường thủ công, đăng ký học việc hoặc đào tạo tại chỗ.

Kỹ thuật viên tua-bin gió — Bảo trì và sửa chữa tua-bin gió, thường ở độ cao trên 80 mét. Yêu cầu thoải mái với độ cao, khả năng cơ học và sẵn sàng làm việc ở vị trí từ xa. Mức lương trung bình khoảng $57.000. Đào tạo: Bằng kỹ thuật 2 năm trong công nghệ năng lượng gió.

Kỹ sư điện — Thiết kế các hệ thống năng lượng, bộ chuyển đổi, kết nối lưới điện và các hệ thống kiểm soát. Bằng cấp Đại học bắt buộc, giấy phép PE hữu ích. Mức lương trung bình khoảng $100.000. Chuyên môn hóa trong các hệ thống năng lượng hoặc năng lượng tái tạo mở cửa tại các công ty tiện ích, nhà phát triển và nhà sản xuất thiết bị.

Nhân viên kiểm toán năng lượng — Đánh giá các tòa nhà để biết hiệu quả năng lượng, giới thiệu cải tiến và xác minh tiết kiệm. Kết hợp kiến thức kỹ thuật với các kỹ năng giao tiếp. Chứng chỉ: BPI (Viện Hiệu suất Tòa nhà) hoặc RESNET HERS Rater.

Chứng chỉ NABCEP — Hội đồng Bắc Mỹ về các chuyên gia năng lượng được chứng nhận cung cấp chứng chỉ tiêu chuẩn vàng cho các chuyên gia năng lượng mặt trời. Những người lắp đặt và nhà thiết kế được chứng nhận NABCEP yêu cầu lương cao hơn và được các nhà tuyển dụng ưa thích. Chứng chỉ bao gồm Chuyên gia lắp đặt PV, Chuyên gia thiết kế PV và Bán hàng kỹ thuật PV.

Những đường dẫn khác — Nhà phát triển dự án, kỹ sư lưu trữ năng lượng, nhà khai thác lưới, chuyên gia tuân thủ môi trường, nhà phân tích chính sách năng lượng, quản lý xây dựng quy mô tiện ích, nhà hoạch định cơ sở hạ tầng sạc xe điện. Lĩnh vực này rộng và đang phát triển.

Điều mà tất cả họ đều có điểm chung

Mỗi một trong những sự nghiệp này yêu cầu hiểu biết những kiến thức cơ bản bạn đã học trong bài học này: cách tạo ra hoạt động, cách cân bằng cung và cầu lưới, cách lưu trữ lấp đầy khoảng trống và cách kết hợp các công nghệ khác nhau. Những người thành công trong năng lượng sạch là những người suy nghĩ về hệ thống.