Фотовольтаика что это такое

Фотовольтаика - это... Что такое Фотовольтаика?

Фотовольтаика — метод выработки электрической энергии путем использования фоточувствительных элементов для преобразования солнечной энергии в электричество.

Термин «фотовольтаика» означает обычный рабочий режим фотодиода, при котором электрический ток возникает исключительно благодаря преобразованной энергии света. Фактически, все фотовольтаические устройства являются разновидностями фотодиодов.

Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП)

В фотовольтаических системах преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется в фотоэлектрических преобразователях (ФЭП). В зависимости от материала, конструкции и способа производства принято различать три поколения ФЭП:

ФЭП первого поколения на основе пластин кристаллического кремния;

ФЭП второго поколения на основе тонких пленок;
ФЭП третьего поколения на основе органических и неорганических материалов.

Для повышения эффективности преобразования солнечной энергии разрабатываются ФЭП на основе каскадных многослойных структур.

ФЭП первого поколения

ФЭП первого поколения на основе кристаллических пластин на сегодняшний день получили наибольшее распространение. В последние два года производителям удалось драматическим образом сократить себестоимость производства таких ФЭП, что обеспечило укрепление их позиций на мировом рынке.

Виды ФЭП первого поколения:

монокристаллический кремний (mc-Si),
поликристаллический кремний (m-Si),
на основе GaAs,
ribbon-технологии (EFG, S-web),
тонкослойный поликремний (Apex).

Производители — Suntech Power, JA Solar, Yingli Green Solar, Solarfun Power, Trina Solar.

ФЭП второго поколения

Технология выпуска тонкопленочных ФЭП второго поколения подразумевает нанесение слоев вакуумным методом. Вакуумная технология по сравнению с технологией производства кристаллических ФЭП является менее энергозатратной, а также характеризуется меньшим объемом капитальных вложений. Она позволяет выпускать гибкие дешевые ФЭП большой площади, однако коэффициент преобразования таких элементов ниже по сравнению с ФЭП первого поколения.

Виды ФЭП второго поколения:

аморфный кремний (a-Si),
микро- и нанокремний (μc-Si/nc-Si),

кремний на стекле (CSG),
теллурид кадмия (CdTe),
(ди)селенид меди-(индия-)галлия (CI(G)S).

Производители — First Solar, Q-Cells, Solyndra, Miasole.

ФЭП третьего поколения

Идея создания ФЭП третьего поколения заключалась в дальнейшем снижении себестоимости ФЭП, отказе от использования дорогих и токсичных материалов в пользу дешевых и перерабатываемых полимеров и электролитов. Важным отличием также является возможность нанесения слоев печатными методами, например, по технологии «рулон-к-рулону» (R2R).

В настоящее время основная часть проектов в области ФЭП третьего поколения находятся на стадии исследований.

Виды ФЭП третьего поколения:

фотосенсибилизированные красителем (DSC),
органические (OPV),
неорганические (CTZSS).

Производители — Konarka, Solarmer, IBM, Plextronics.

Установка и использование

ФЭП собираются в модули, которые имеют нормируемые установочные размеры, электрические параметры и показатели надежности. Для установки и передачи электроэнергии солнечные модули комплектуются инверторами тока, аккумуляторами и прочими элементами электрической и механической подсистем.

В зависимости от области применения различают следующие виды инсталляций солнечных систем:

частные станции малой мощности, размещаемые на крышах домов;
коммерческие станции малой и средней мощности, располагаемые, как на крышах, так и на земле;
промышленные солнечные станции, обеспечивающие энергоснабжение многих потребителей.^[1]

Примечания

солнечная электроэнергия – ответы на главные вопросы

Разновидности фотоэлектрических устройств

Прямое преобразование энергии можно осуществлять разными способами — например, с помощью плоских солнечных батарей большой площади (flat panels), зафиксированных на поверхности земли, крышах домов и так далее. А можно собирать свет не фотоэлектрическими панелями, а уже упомянутыми солнечными концентраторами (solar concentrators) — зеркалами или линзами. Таким образом резко усиливается интенсивность света и уменьшается площадь дорогостоящих полупроводниковых преобразователей. Это так называемая концентраторная фотовольтаика ( concentrator photovoltaics, CPV). Сегодня этот способ проигрывает из-за того, что стоимость плоских панелей на основе кристаллического кремния резко уменьшилась за последние несколько лет. И если говорить о масштабном производстве электроэнергии, то, безусловно, в выигрыше способ, преобразующий энергию за счет кремниевых батарей, которые лежат на крыше, в поле или где-то еще. Эта тенденция сохранится, видимо, и в ближайшем будущем.

Продолжаются попытки производить солнечные батареи не из дорогостоящих неорганических полупроводников, таких как кремний или арсенид галлия, а из чего-то совсем дешевого, например из органических материалов (проводящих полимеров, фуллеренов и тому подобного). Действительно, чтобы сделать солнечный кремниевый элемент, нужно получить очень чистый кремний, после чего вырастить дорогостоящий кристалл. Температура плавления и кристаллизации кремния — 1400 °C, то есть необходимо также потратить много энергии на нагревание. Полученный кристалл затем режется на пластины, из которых изготавливаются приборы, в то время как органический солнечный элемент можно просто напечатать на принтере при комнатной температуре. Несложно понять, что для этого требуется гораздо меньше энергии. Более того, органические солнечные элементы легко гнутся и принимают любую необходимую форму. Однако главным тормозом такого направления является то, что эти приборы очень нестабильны. Под действием света, воздуха и температуры их эффективность сильно падает. Для сравнения: кремниевые солнечные элементы сегодня имеют срок службы более 20 лет. Сейчас производство электричества с помощью кремниевых полупроводниковых солнечных батарей — это не мечта, а реальность на уровне производства терраватт электрической мощности с КПД порядка 20%.

Кремниевое направление победило за счет стабильности и высоких КПД. Рекордные значения КПД кремниевых солнечных элементов превышают 26% и практически подошли к теоретическому пределу. Что же дальше?

Солнечные элементы на основе перовскитов

Недавно было открыто семейство новых гибридных органическо-неорганических полупроводников на основе металл-галогенных перовскитов, а затем появились солнечные элементы на их основе. Так же, как и органические солнечные элементы, они могут быть получены из растворов, то есть напечатаны на принтере — в перспективе. При этом такие приборы уже сегодня демонстрируют гораздо более высокую эффективность, чем «органика». Первые солнечные элементы на основе перовскита, полученные в группе японского профессора Цутому Миясака (Tsutomu Miyasaka) в 2009 году[4 ]A. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai, T. Miyasaka. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. Journal of American Chemical Society, 131, 6050 (2009)., имели КПД меньше 4%, а сегодня он достиг 24%.

Перовскитные приборы можно также совместить с кремниевыми. У каждого полупроводникового материала есть так называемая ширина запрещенной зоны. Фотоны поглощаются только с энергией, которая больше этой ширины запрещенной зоны. Скажем, у кремния ширина запрещенной зоны — 1,1 эВ (электронвольт). Это означает, что кремниевые элементы поглощают только часть солнечного спектра, что ограничивает КПД. Кремниевый солнечный элемент активен в инфракрасной области спектра, а перовскитный — в ультрафиолетовой. Сегодня задача сотен, а может быть, и тысяч лабораторий по всему миру — создать так называемые тандемные (tandem) кремниево-перовскитные солнечные элементы, эффективно поглощающие солнечный свет в широком спектральном диапазоне. Если эта задача будет выполнена, реальны значения КПД преобразования в промышленном масштабе, превышающие 30%.

Главный недостаток этого материала в том, что он крайне нестабилен и быстро начинает деградировать. Чтобы разрешить данную проблему, нужно понять, почему происходит деградация. Один из механизмов нестабильности таких структур связан с ионным характером химических связей в этих материалах[5 ]M. V. Khenkin, K.M. Anoop, E. A. Katz and I. Visoly-Fisher. Bias Dependent Degradation of Various Solar Cells: Lessons for Stability of Perovskite Photovoltaics. Energy & Environmental Science, 12, 550 (2019).. Такую структуру достаточно легко разрушить — светом, теплом, взаимодействием с водой или кислородом воздуха.

С другой стороны, среди исследователей пока даже нет согласия, как количественно оценивать деградацию и стабильность таких приборов[6 ]M. V. Khenkin, K. M. Anoop, I. Visoly-Fisher, Y. Galagan, F. Di Giacomo, B. R. Patil, G. Sherafatipour, V. Turkovic, H.-G. Rubahn, M. Madsen, T. Merckx, G. Uytterhoeven, J. P. A. Bastos, T. Aernouts, F. Brunetti, M. Lira-Cantu and E. A. Katz. Reconsidering Figures of Merit for the Performance and Stability of Perovskite Photovoltaics. Energy & Environmental Science, 11, 739 (2018)..

На мой взгляд, именно работы именно в этом направлении могут привести к революции в широкомасштабном производстве солнечного электричества [7 ]M. A. Green and A. Ho-Baillie. Perovskite Solar Cells: The Birth of a New Era in Photovoltaics. ACS Energy Letters, 2, 822 (2017).. Если, конечно, они увенчаются успехом.

Солнечная энергия для транспорта

У солнечного излучения есть несколько недостатков с точки зрения его преобразования в электричество. На Землю падает свет достаточно малой мощности — как уже упоминалось, всего 1000 Вт/м2. Грубо говоря, если КПД солнечной батареи — 20%, то с квадратного метра такой панели можно произвести всего лишь 200 Вт. Вырабатываемая мощность прямо пропорциональна площади. Поэтому, скажем, делать автомобили или самолеты на солнечных элементах достаточно тяжело. Мощности, полученной от панелей, не хватит на нормальную работу двигателей. Такие машины должны обладать непомерно большими крыльями, чтобы собирать необходимое количество света.

Фотовольтаика в Германии | АльтерСинтез

Солнечные батареи на крыше многоэтажного дома

Германия одной из первых начала внедрять энергосберегающие системы. Долгое время Германия является одним из мировых лидеров в области освоения солнечной энергетики. Поэтому было бы очень интересно изучить ее опыт и оценить возможность применения лучших практик, проверенных временем и зарекомендовавших себя на деле. Ниже представлен небольшой анализ выполненный на основании изучения открытых источников.

С 90-х годов прошлого века Германия прошла несколько фаз развития рынка фотовольтаики:

Стадия эмбриона, длившаяся примерно до 2000 года и завершившаяся формированием первоначальной законодательной базы, которая дала толчок дальнейшему бурному развитию отрасли;
Стадия стартапа, во время которой в течение 2000-2003 годов по программе «100 тысяч крыш» инсталлировались сотни мегаватт солнечных установок ежегодно;
Стадия бурного роста, начавшаяся в 2004 году и длящаяся до сих пор.

В результате проведенных политических реформ в стране был создан внутренний спрос на фотовольтаику. Он стимулировался путем свободной выдачи населению лицензий на производство энергии и созданием всех необходимых условий для повышения экономической целесообразности выработки солнечной электроэнергии.

Эти меры сформировали рынок готовых солнечных систем и рынок производства солнечных батарей. Были обучены и получили необходимый опыт специалисты, включая экспертов по монтажу и инсталляции солнечных систем. Импорт энергии сокращался, что еще больше стимулировало создание новых рабочих мест. В период с 1999 по 2003 год стоимость солнечных установок снизилась на 25% и продолжает снижаться дальше (примерно на 5% каждый год, начиная с середины 2006 года). В будущем солнечная энергетика должна достичь ценовой конкурентоспособности уже без государственной поддержки и стать важной частью долгосрочного энергоснабжения Германии.

Сегодня в Германии преобладают установки, отдающие электроэнергию в общую сеть. Каждый киловатт электроэнергии, полученной благодаря прямому преобразованию солнечного излучения, централизованно покупается энергоснабжающей организацией и оплачивается по фиксированному тарифу. Некоторые цифры, которые типичны для небольшой солнечной установки, например, установленной на крыше загородного дома.

Стоимость инсталляции солнечной системы – $5,4 тыс. за 1 кВт мощности
Процентная ставка по кредитам на приобретение солнечной системы – 4% в год
Тариф на отпуск электроэнергии в сеть – $0,581 за 1 кВт
Чистая прибыль владельца системы – $522 в год

А вот цифры относительно действующих в Германии расценок на солнечную электроэнергию, полученную от установок, расположенных на крышах зданий (установлены на 2008 и 2009 годы):

Для систем пиковой мощностью до 30 кВт – $0,581 за 1 кВт
Для систем пиковой мощностью более 30 кВт – $0,552 за 1 кВт
Для систем пиковой мощностью более 100 кВт – $0,534 за 1 кВт
Для систем пиковой мощностью более 1000 кВт – $0,446 за 1 кВт

При этом для установок пиковой мощностью до 30 кВт , интегрированных в фасад здания, доплачивается надбавка +$0,07 за 1 кВт. Тариф на отпуск электроэнергии в сеть для свободностоящих установок меняется от $0,479 за 1 кВт для маломощных систем и до $0,431 за 1 кВт для систем от 1 МВт.

Всем установкам, подключенным к сети в 2008 и 2009 годах, гарантируется покупка произведенной ими электроэнергии по актуальному тарифу в течение следующих 20 лет. Для вновь подключаемых систем этот тариф будет снижаться ежегодно примерно на 9%. Ожидается, что цены на солнечную и традиционную электроэнергию сравняются к 2018 году. Но для всех заинтересованных гарантируется первоочередное подключение к сети, а энергоснабжающая организация выступает монополистом на покупку солнечной электроэнергии. Роль правительства при этом заключается в контроле сетей электроснабжения и назначении тарифов.

Как видите, государство создало все условия для желающих приобщиться к делу солнечной энергетики: разрешило вырабатывать электроэнергию, зафиксировало низкую стоимость средств, направляемых на капитальные затраты, установило привлекательный тариф на покупку электроэнергии, обеспечив тем самым возможность не просто окупать свои вложения, но и получать прибыль в течение нескольких десятков лет. При этом в Германии стимулируется оснащение солнечными системами существующих зданий, высвобождая открытые земельные участки для других нужд.

— solareview.blogspot.com —

Об органической фотовольтаике замолвите слово. Часть 2 / Habr

В первой части сего длительного повествования было показано, что побороть кристаллического кремниевого монстра фотовольтаики будет очень не просто, в особенности, органическими молекулами, но так ли это на самом деле? Что есть такого в третьем поколении солнечных элементов, чего нет у предыдущих двух?!

Конечно, сейчас сложно говорить о каких-то конкретных цифрах, потому что сам рынок ещё формируется: спрос и предложение не уравновешено, технологии только-только перебираются из лабораторий на экспериментальные заводские площадки. Однако, как мы увидели на примере кристаллического кремния, в такой период времени очень сложно говорить о будущем технологии (помните, что цена на поликристаллические солнечные элементы упала в 3 раза за 7 лет?!).

А по сему, я постараюсь описать в большей степени не экономику производства и эксплуатации DSSC или органических солнечных батарей (ведь опять начнутся разговоры про EROI), а то, какой потенциал в них заложен и какие технологии применяются, чтобы сделать цену конечных устройств настолько малой, насколько это вообще возможно.

3-е поколение: будущее уже здесь!

Пожалуй, начнём мы по традиции, с некоторого ретроспективного анализа эффективности солнечных элементов, подготовленного NREL – The National Renewable Energy Laboratory.

Ретроспективный анализ наилучших показатели эффективности солнечных элементов всех известных типов

На графике приведен целый класс “emerging PV”, т.е. те самая группа альтернативных методов, которые, как упоминалось в первой статье, могут выстрелить в любой момент. Но начнём по порядку.

Roll-to-Roll process или напечатай меня как газету

Пожалуй, одной из наиболее значимых характеристик третьего поколения солнечных элементов является то, что их можно печатать.

Стоит пояснить. Для двух предыдущих поколений солнечных элементов, чтобы получить работающую панель необходимо создать, так или иначе, p-n-переход (за пояснениями смело сюда), а это значит, что необходимо высоковакуумное оборудование, герметичность производственной линии и так далее по списку – всё как во взрослой жизни. При этом пластина едет по конвейеру от одного конца до другого, прирастая p-n-переходами и контактами. Есть ещё и проблема совмещения (или алаймента) масок, используемых для травления и создания 3D структуры (фактически, как в процессорах, только техпроцесс не нанометры, а микрометры и миллиметры). И как бы было хорошо всё это безобразие заменить на что-нибудь попроще…

О чудо, такой процесс уже используется десятилетиями для печати полиграфической продукции. С небольшими модификациями мы могли бы заменить чернила на какие-нибудь фотоактивные органические молекулы – полупроводники и проводники – а рисунок на барабане разбить на соответствующие отдельным фотоэлементам площадки. И, вуаля, штампуй – не хочу!

При этом можно существенно уменьшить как вес таких элементов, так и количество используемых материалов, ведь в кремниевой батарее кремний является и подложкой и активным компонентом, а сделать подложку бесконечно тонкой невозможно, она обязана обладать хоть каким-то минимальным набором механических характеристик.

Как же это работает на практике?! В том же KIT есть не так называемый «центр трансфера технологий», а совершенно настоящий и работающий, в котором осуществляются:
а) исследования, направленные на улучшение характеристик батарей, при этом существует прямая обратная связь с учёными и инженерами, разрабатывающими технологии;
б) участок прототипирования, который отрабатывает принципиальную масштабируемость технологии;
в) уже полупромышленный участок, где за пару минут можно сделать погонные метры и сотни метров солнечных элементов.

Структура трансфера технологий из лаборатории на производство. KIT и TU Darmstadt совместно с BASF, Merck

Заметьте, центр не просто при двух университетах, но в нём активно участвуют производители, которые, возможно, раньше или позже запустят эти разработки на своём производстве.

Публика, мне кажется, подустала чуть-чуть, поэтому видео работы упомянутой лаборатории в живую на YouTube:

И одной из наиболее значимых областей применения данного процесса является как раз органическая фотовольтаика.

Органическая фотовольтаика

Как бы ни смешно это прозвучало, но в мире органической химии царит своя атмосфера безудержного веселья. Например, среди органических молекул можно найти изоляторы, проводники, полупроводники и – даже страшно подумать – сверхпроводники. Некоторое время назад вообще считали, что органические материалы вытеснят всё, в том числе и бетон, и арматуру, и машины будут из карбона…но не сложилось…

Как мог бы выглядеть органически фотоэлемент?! И каковая может быть его толщина?
Например, если хотите, то толщиной в 1 микрометр (в 50 раз тоньше человеческого волоса!):

Устройство отдельного органического солнечного элемента и материалы, используемые для его создания

Обычно требуется, чтобы акцептор электронов (absorber) и молекулы донора (hole conductor) взаимно проникали друг в друга, формируя так называемый объёмный гетеропереход (bulk heterojunction). Так как реакция разделения электрон-дырочной пары происходит на поверхности, то за счёт взаимного проникновения двух фаз одна в другую и увеличивается эффективная площадь контакта (показано на картинке справа), а это в свою очередь соответствует максимальной эффективности такой батареи.

Подложка не обязательно должна быть стеклянной: и катод и анод могут быть выполнены по любой доступной технологи, в том числе и на основе проводящих полимеров, что позволяет в полной мере реализовать преимущества roll-to-roll process.

Да, к глубокому сожалению, должен констатировать, что эффективность у данных батарей не велика до 7-8%, но это всё из-за того, что представленные выше молекулярные мотивы не поглощают во всём диапазоне длин волн от УФ (ультрафиолетового, 300-400 нм) до ИК (инфракрасного 800-1000 нм).

С одной стороны это является проблемой, необходимо придумывать более хитрые схемы с двумя совмещёнными батареями, так называемые тандемные солнечные элементы (tandem solar batteries), либо просто сделать батарею полупрозрачной и наклеить на окно.

В случае с тандемными солнечными элементами мы просто имеем два последовательно подключённых солнечных элемента, которые поглощают в двух разных диапазонах, например, зелёном и красном. За счёт этого фактически удваивается эффективность, потому что больше фотонов превращается в ЭДС и ток. Однако главная проблема в данном случае – промежуточный слой, необходимый для комбинирования избыточных зарядов. Понятно, что если слой будет накапливать заряд, то из-за внутренних потерь это снизит эффективность.

Принцип работы тандемной солнечной батареи: два последовательно соединённых органических солнечных элемента

Пример спектра поглощения двух органических веществ, используемых при производстве тандемных солнечных элементов

На этом моменте можно было бы углубиться в материаловедение, но я этого не буду делать, просто хочу сказать несколько слов в защиту высокоэффективных батарей и процесса их разработки, что это не пустая трата бюджетных средств. Нельзя просто так взять, намазать пасту ровным слоем на подложку, потом второй слой, третий, наклеить контакты и сказать, что готово, приговаривая: «Ладно, и так сойдёт!» (с) И не будем показывать пальцем, где этим любят позаниматься. Но за каждым процентом эффективности стоят патенты, специальные добавки, меняющие упаковку молекул таким образом, чтобы добиться наилучшего проникновения одного компаунда в другой. Для того, чтобы описать такие процессы, почему вещество А помогает, а вещество Б нет, крайне необходима фундаментальная наука со всеми её недостатками, пороками и установками, стоимостью в миллионы и миллиарды долларов.

Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)

Солнечные батареи, сенсибилизированные или «активированные» красителем, известны миру достаточно давно. Однако лишь недавно, как уже упоминалось в предыдущей статье, они смогли успешно взять психологически важный барьер в 15% эффективности. На настоящее время это является абсолютным рекордом среди солнечных батарей данного класса. Принцип работы батарей детально представлен в указанной выше публикации, поэтому не будем на нём останавливаться.

Обычно для производства DSSC необходима стеклянная подложка с токопроводящим покрытием, как то ITO (оксид олова, допированный индием) или FTO (оксид олова, допированный фтором), что отъедает существенную часть расходов на производство. Однако стоит справедливо заметить, что данные батареи потенциально могут быть адаптированы к печати посредством процесса roll-to-roll, о котором говорилось выше.

И вновь хочется повториться, что область применения таких элементов питания не генерация МВт электроэнергии, а скорее эстетично-практичная, как и в случае с прозрачными органическими батареями – снижении общего энергопотребления, при сохранении высоких стандартов жизни. То есть наклеили батарею на окно, она вам за сутки АКБ зарядила, к примеру…

Пока готовилась данная статья, неожиданно пришло известие с пометкой срочно в номер!

Breaking News

Строящийся сейчас конференц-центр EPFL (SwissTech) оснастят стеклянным фасадом на основе DSSC. Прозрачные разноцветные панели солнечных элементов Гратцеля в данный момент устанавливаются на западной стороне SwissTech центра, открытие которого запланировано на апрель 2014 года. Солнечными батареями, общее число которых составляет 1 400 штук при размерах 35 на 50 см, оснастят более 300 м² фасада здания. Сами элементы выполнены в пяти оттенках красного, зелёного и оранжевого цветов, что, по мнению архитекторов и дизайнеров, создаёт тёплый и в то же время живой внешний вид.

Стоит отметить, что проект такого рода – первый в мире. Солнечные элементы сконструированы таким образом, что не теряют эффективности при изменении угла падающего на них солнечного света, к тому же они не только позволяют вырабатывать электричество, но и защищать внутренние помещения от прямых солнечных лучей, что приведёт к снижению потребность в кондиционировании воздуха. Сообщается также, что не менее 11 фирм-производителей уже получили лицензию на производство солнечных батарей Гратцеля.

И на последок, чтобы не быть голословным, приведу несколько примеров компаний, которые работают в области альтернативных солнечных элементов:

Konarka. Компания просуществовала с 2001 по 2012 года и занималась как DSSC, так и органическими солнечными батареями на основе фуллеренов. За время своего существования компания создала 350 патентов в рассматриваемой области, привлекла более 150 млн. $ частных инвестиций и 20 млн. $ государственных грантов на разработку и организацию производства. Были разработаны солнечные элементы с гарантированным сроком службы 3 года при зарегистрированной эффективности в 8%. К сожалению, в середине 2012 года компания объявила о банкротстве.

Heliatek. Компания основана в 2006 году специализируется на органической фотовольтаике, но держится на плаву более успешно. В числе прочих достижений тандемные батареи с эффективностью 12% за счёт правильно подобранной геометрии:

Слайд с сайта компании Heliatek

И между прочим в ближайшие 4 года эффективность планируется увеличить до 16%:

Слайд с сайта компании Heliatek

Что же касается DSSC, то даже такие гиганты, как Sony и Samsung обращают своё внимание в сторону DSSC, при чём планируется, что массовый выпуск продукции позволит сократить до 1/3-1/5 стоимость модулей по сравнению с обычными кремниевыми батареями. В Соединённом Королевстве есть множество компаний, занимающихся данной тематикой (например), так что про умельцев из Поднебесной я вообще промолчу (например).

Вместо заключения

Вначале я хотел написать объёмное заключение, что «альтернативной» некремниевой фотовольтаике быть, что важны технологии, и как они связывают воедино разные области знаний, в конечном продукте, но…

Безусловно, я согласен с BarsMonster, что главная проблема сегодняшней альтернативной энергетики (любой!!!, попрошу заметить) – хранение произведённой электроэнергии и, главное, стоимость такого хранения. Или иными словами непоястоянство данного источника. Это не АЭС, которыми в Бельгии дороги освещают даже днём. Однако мне кажется, что мы не вполне верно рассматриваем структуру энергопотребления с нашей сложившейся уже точки зрения, вот где кроется основной порок всех холиваров на данную тему. Необходимо изменить своё сознание и посмотреть на проблему абстрагированным взглядом.

Но, как бы ни парадоксально и вычурно это звучало, мы живём в эпоху поистине великого перехода от века кремния, к веку углерода; и те тенденции, которые сейчас мы наблюдаем (графен, УНТ, органические светодиоды и органическая фотовольтаика) тому весомое доказательство. Пройдёт ещё совсем немного времени, и ни одно здание не будет спроектировано (по крайней мере, в ЕС, США, Японии) без солнечных панелей Гратцеля на окнах, способных ощутимо снизить и практически привести к нулю энергобаланс сооружений. Задняя панель iPhone или моей Xperia Z покроется 2 микронной органической батарей, которая будет подзаряжать телефон везде, где есть источник света, а электромобили вообще превратятся в одну большую передвигающуюся солнечную батарею. И я хотел бы оказаться в этом энергетическом раю, где энергия Солнца доступна всем и каждому…

А Вы?!

Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале — милости просим;)

Об органической фотовольтаике замолвите слово. Часть 1 / Habr

В середине июля 2013 года в славном городе Эриче, что расположен в дали от цивилизации на горе на западе Сицилии, проходила прелюбопытнейшая научная школа «Наноструктуры для оптики и фотоники» (или Nano-Structures for Optics and Photonics). Один из докладов по счастливому стечению обстоятельств оказался «Органическая фотовольтаика» (Organic photovotaic), представленный профессором Ули Лемерром (Uli Lemmer) из Института Технологий Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology – KIT).

Итак, быть или не быть «альтернативной» фотовольтаике?

Введение

Пару месяцев назад была опубликована исполненная пиетета статья о солнечных элементах Гратцеля, но в комментариях встретил закономерное недоверие и скепсис по поводу оправданности вложений в такие солнечные элементы. Основная мотивация оппонентов – недостаточная производительность или эффективность таких элементов по сравнению с кремниевыми, мол, EROI совсем плох. Хотя некоторые оценки собраны и представлены в Wiki, но это как средняя температура по больнице. А по сему, опираясь на данные представленные профессором Лемерром, я хотел бы рассказать чуть более подробно о «альтернативной» или – если угодно – не кремниевой фотовольтаике, но сначала всё же придётся окунуться в мир цифр для нормальных кремниевых батарей, чтобы понимать, к чему стремиться. И эта статья имеет своей целью некоторый обзор уже сформировавшегося рынка кремниевых солнечных элементов.

Сразу хочу сделать две немаловажные оговорки. Во-первых, KIT славится тем, что имеет фактически свои производственные линии, на которых зачастую обкатываются технологии и мнение вышеупомянутого профессора, я полагаю, таки авторитетно. Во-вторых, ЕС диверсифицирует разработки, и это заложено во многих рамочных программах. Что же это значит? А значит это, что если даже вы разработали солнечную батарейку с КПД 5%, вы сможете получить финансирование на продолжение исследований, если, конечно, 5% не являются теоретическим (термодинамическим) пределом.

И последнее, я буду всё время это упоминать, так или иначе, по ходу повествования: стоимость инвестиций (Investment costs) в €/Вт, которая может быть уменьшена двумя способами – снижением стоимости производства или увеличением эффективности солнечных батарей.

Есть ли свет после кристаллического кремния?

Полагаю, что один из самых взвешенных обзоров на Хабре был подготовлен BarsMonster, поэтому долго на это теме останавливаться не будем.

Итак, что же такое «альтернативная» фотовольтаика в сравнении с «классической»? Или как разбить на поколения известные солнечные элементы? Это очень просто:

Солнечные элементы на базе кристаллического кремния (EFG – Edge Defined Film fed Growth, RGS – Ribbon Growth on Substrate). Самые древние, можно сказать каменные век. Первые разработки можно отнести к заре эры микропроцессорной техники – конец 60-х, начало 70-х.
Немножко теорииТипичные характеристики EFG солнечных батарей можно посмотреть тут.
Здесь представлена некоторая классификация материалов для солнечных элементов. Да, не совсем полная, но зато описаны процессы получения материалов от стадии руды.
Тонкоплёночные солнечные элементы, такие как аморфный кремний, кремниевые плёнки, различные варианты экологически «небезопасных», но интенсивно производящихся на настоящий день, на основе кадмия и теллура. Получили толчок к развитию вместе с кремниевыми, но лишь в конце 80-х, начале 90-х перешагнули 10% барьер эффективности.
Альтернативная фотовольтаика, включающая в себя DSSC (сенсибилизированные солнечные элементы или солнечные батареи Гратцеля habrahabr.ru/post/192468), гибкие органические батареи (на основе олигомеров и полимеров), в том числе и тандемные солнечные элементы, а также диковинный пока подвид – солнечные элементы на основе квантовых точек (наноразмерных частиц полупроводников).

Фотовольтаика не совсем полно, но наглядно. Источник.

И логичный вопрос: а где же тогда место этой альтернативной фотовольтаике? Как уже было сказано, в голове надо держать два параметра: эффективность и стоимость производства, что влечёт за собой удешевление электроэнергии, выработанной такой батареей в €/Вт. Как мы можем видеть из приведённых ниже графиков кристаллический кремний, пожалуй, по всем параметрам наиболее перспективный материал для солнечных элементов. Особенно в долгосрочной перспективе, когда его стоимость инвестиций может быть уменьшена до 50 центов и ниже за Вт. Однако стоит заметить, что получение такого высокочистого или «солнечного» кремния связанно с огромными экологическими рисками, о которых в ЕС и США особенно сильно пекутся. Ах, да, через 5 минут будет сказано с саркастической улыбкой, что производство кадмий-теллуридных, CdTe, батарей растёт – парадокс, но оставим его на совести Гринписа и администрации стран-производителей…

Оценки эффективности и стоимости инвестиций для различных типов солнечных элементов в крастко-, средне- и долгосрочной перспективе.

Конечно, на сегодняшний день даже аморфный кремний (производство дешевле и не требует «серьёзной химии») хоть по стоимости и сопоставим с кристаллическими аналогами, но всё ещё не обладает достаточной эффективностью, чтобы побороться за какой-то лакомый сегмент рынка. Но что интересно на этой диаграмме: некремниевые солнечные элементы изначально обладаю гораздо более низкой стоимостью инвестиций и, соответственно, более низкой стоимостью полученной с их помощью электроэнергии. Это как раз и даёт надежду исследователям и инвесторам, что в будущем, можно за счёт использования таких процессов как roll-to-roll (читайте, как газету печатать) существенно снизить издержки при производстве таких элементов. Но об этом я расскажу во второй части, посвящённой альтернативам.

Пример солнечного элемента первого поколения – поликристаллический кремний

Но и это ещё не всё, в случае с гибкими солнечными элементами, а таких, большинство в группе альтернативных, есть очень много потенциальных областей применения: от умной одежды, которая будет заряжать ваш мобильник в солнечную погоду (например), до тентов и навесов, способных запитать небольшой чайник на природе.

Панели солнечных элементов второго поколения

С учётом специфических условий эксплуатации – в полях, так сказать – а также принимая во внимание стремление всех ведущих производителей мобильной техники уменьшить толщину смартфона или ультрабука в ущерб времени автономной работы, то согласитесь данный сегмент рынка может выстрелить очень и очень быстро.

Но вернёмся от фантазий о рае будущего на нашу грешную землю, точнее, к традиционным солнечным элементам.

Состояние современного рынка солнечной энергетики.

Что касается каких-то более точных цифр для солнечных элементов первого поколения, то они были представлены в виде понятного даже детям рисунка:

Номинальные параметры традиционных солнечных элементов

При этом стоимость модуля на 54 Вт обычно не превышает 60 евро, а каждый кВт*ч полученной энергии обходится потребителю менее чем в 50 центов. Сроки эксплуатации огромны – обычно это десятки лет (25-30 лет является нормативом), если не происходит чего-то экстраординарного – потопы, ураганы, русские крещенские морозы и т.д. Ну а затем батареи разбираются, перерабатываются и из них изготовляют новые.

Далее я хотел бы привести немного статистики. Конечно, доля моно- и поли-кристаллических батарей огромна и суммарно отъедает до 90% рынка, но посмотрите, как с начала 2000-х выросла доля CdTe-батарей (экологи – ха-ха), как медленно, но верно начали прорастать другие технологии, в том числе и альтернативные виды фотовольтаики (в данном случае отмечены, как others). И всё это происходит не в жирные годы экономического роста, когда деньги на научное колесо льются рекой, а сейчас, на наших глаза, когда в ЕС и США всё ещё продолжается рецессия.

Доли рынка солнечной энергетики для различных видов батарей

Что ж можно сравнить с данными, приводимыми в Wiki – хорошее совпадение:

Где и что производят и ставят?

Конечно, можно было бы уже догадаться, что, как и в известной шутке:
"– Какие три самые популярные слова на планете?
– Мир, труд, май
– Нет, Made in China", – большая часть производства солнечных элементов сосредоточена в Китае. По состоянию на 2011 год – больше половины всех произведённых модулей за тот год имеют шильдик: Made in China.

Годовое производство солнечных элементов первого поколения

Тогда как основной потребитель готовой продукции – это, как ни странно, матушка Европа. Среди европейских стран бесспорным лидером является Германия, вслед за которой в эру использования Солнца, как универсального источника энергии, пытается заскочить Италия, что обусловлено, по большому счёту, благоприятным климатом. Хотя, например, на Сицилии, где проводилась школа, преимущество отдано ветрякам.

Хочется также заметить, что, например доля Испании, где климат благоприятствует развитию солнечной энергетики, практически не наращивает установленной мощности солнечных элементов с 2008 года, тогда как даже Китай существенно увеличил этот параметр за тот же период.

Суммарная установленная мощность солнечных элементов первого поколения

Коль скоро Германия в ЕС является наиболее значимым потребителем альтернативных источников энергии, в целом, и солнечной, в частности, то за прошедшие 7 лет можно оценить степень падения цен на модули. Так если средняя розничная цена системы, устанавливаемой на крышу, была около 5 100 евро за кВт пиковой мощности, то во втором квартале 2013 года она упала до 1 700 евро. В 3 раза за 7 лет! Неплохой результат, надо отметить.

Так же хотелось бы обратить внимание на четвёртый квартал 2008 года. В США полыхает кризис, в ЕС закрываются банки, казалось бы, цены должны остаться на уровне Q4 2008 и никуда не двигаться, ведь предприятия закрыты, пароходы списаны, а денег в банках нет. Но оказалось совершенно наоборот, через год после начала кризиса цена упала на 30% до менее 3 000 евро за КВт.

Стоимость кВт пиковой мощности в евро в течение последних 7 лет без учёта НДС, так как НДС может меняться даже между федеративными землями в ФРГ

И в заключении хотелось бы представить расчёты стоимости выработанной электроэнергии таким кремниевыми солнечными элементами. Если взять представленный выше суммы за солнечную панель, срок службы солнечной панели в 20 лет, 5% в год затраты (например, 4% процент по кредиту и 1% стоимость обслуживания самой батареи), то получится следующее распределение стоимости произведённой электроэнергии центах за кВт*ч:

Стоимость выработанной солнечной панелью электроэнергии в центах за кВт*ч: по горизонтали – средняя степень освещённости местности, по вертикали – рыночная стоимость солнечной панели в долларах за кВт пиковой мощности (Источник)

Промежуточное заключение

Что же мы имеем в итоге? На данный момент рынок кремниевой «классической» солнечной энергетики сформирован, доля кристаллического кремния составляет более 90%, и основных игроков на нём уже трудно будет потеснить (а в основном это Китай, ЕС, Япония и США).

Какова цель или почему государства «донатят» программы по солнечной энергетики? Причина довольно прозрачна: максимально диверсифицировать структуру энергопотребления, развить технологии и, в ряде случаев (Германия, например), снизить зависимость экспорта из соседних регионов (из России, в частности).

Как в этих условиях жить и развиваться «альтернативным» типам солнечных элементов, о которых было упомянуто в самом начале? Есть ли место в тени поликристаллического кремния? Или всё это баловство, которое ни к чему не приведёт? Я постараюсь дать ответ через призму тех технологий, что разрабатываются в настоящий момент.

И как с этим справится наш герой?
Все на просмотр картины второй!

Возобновляемая энергия. Раздел 3. Солнечная фотовольтаика

Каталог первых двух разделов

1. Введение

В разделе 2 мы рассмотрели, как можно использовать солнечную энергию для производства электричества, вырабатывая высокотемпературную энергию. Эта энергия направлена на вращение двигателя, который вращает электрический генератор. В этой главе мы:
1. кратко обсудим историю и основные принципы фотоэлектрической конверсии энергии;
2. в основном сосредоточимся на устройствах, использующих монокристаллический кремний;
3. проанализируем возможность сокращения высоких затрат, которые в настоящее время возникают при получении электроэнергии от фотоэлектрического эффекта;
4. рассмотрим прямые методы производства электричества от солнечного излучения, а именно фотоэлектрическую конверсию солнечной энергии непосредственно в электричество в устройствах с высокими тепловыми нагрузками;
5. опишем электрические характеристики фотоэлектрических ячеек и модулей, роль фотоэлектрических систем выработки энергии в поставке электроэнергии в отдаленные регионы и возможности выработки электроэнергии для локальных и общих энергетических сетей государства;
6. рассмотрим экономические аспекты и влияние на окружающую среду фотоэлектричества;
7. определим доступность ресурсов от фотовольтаики и возможность поставки фотоэлектроэнергии в объединенные электросети;
8. определим перспективы развития фотоэлектричества.

2. Понятие «фотовольтаика»

Если бы стал вопрос создания идеальной системы конверсии энергии, то, вероятно, мы бы не нашли лучшего способа, чем получение энергии от солнечной фотоэлектрической системы (ячейки) (СФС). В этих устройствах используется источник энергии, который, безусловно, является самым обильным из доступных на планете. Ранее было указано, что при возможности полного использования всей энергии, которая попадает на Землю от Солнца, можно было бы получить энергии в 105 раз больше, чем от ископаемого и ядерного топлива.

Солнечные фотоэлектрические ячейки являются системой, состоящей почти полностью из кремния, одного из наиболее распространенных элементов на Земле. Эта система не имеет движущихся элементов и поэтому может функционировать неограниченное время без износа. И получение от этих систем электроэнергии является, вероятно, самой безопасной формой из всех возможных форм на сегодня.

3. Краткая история фотовольтаики

Термин «фотовольтаика» получен из сочетания слов греческого языка «свет», «фотография» и «Вольт», последнее обозначает единицу электродвижущей силы (ЭДС) – силы, которая вызывает движение электронов (т.е. электрический ток). Вольт был назван в честь итальянского изобретателя аккумулятора физика графа Александро Вольта. Фотоэлектрический, т.к. обозначает получение электроэнергии из энергии света.

Открытие фотоэлектрического эффекта обычно приписывают французскому физику Эдмонду Беккерелю, который в 1839 опубликовал статью, в которой были описаны его эксперименты с «мокрой ячейкой» батарейки. В ходе исследований он установил, что напряжение батарейки увеличивается, если ее серебряные пластины освещают солнечным светом.

Первое сообщение о фотоэлектрическом эффекте в элементах, которые находятся в твердом состоянии, появилось в 1877, когда два кембриджских ученых, Адамс У.Д. (W.G. Adаms) и Дей А.И. (R.E. Day), доложили на собрании Королевского Общества, что они наблюдали изменения в электрических свойствах селена, освещенного солнечным светом.

В 1883 Чарльз Эдгар Фритс (Charles Edgаr Fritts), нью-йоркский электрик, сконструировал солнечную селеновую ячейку, которая во многом аналогична современным кремниевым солнечным ячейкам солнечных батарей. Она состояла из тонкого слоя селена, покрытого сеткой очень тонких золотых нитей и защитным листом стекла.

Эскиз солнечной ячейки Чарльза Эдгара Фритса, запатентована в 1884 году в США

Но его ячейка была не очень удачна. Эффективность солнечной ячейки определяется в процентном соотношении от падающей на ее поверхность солнечной энергии к полученной электрической энергии. В представленной ячейке менее 1% солнечной энергии, падающей на ее поверхность, превращается в электричество. Однако селеновые ячейки нашли широкое применение в фотографии.

Основные причины низкой эффективности этих ранних устройств стали очевидны много лет спустя: в средине первой половины двадцатого столетия, когда некоторые физики, например, Планк и Эйнштейн, заложили новые представления о природе излучения и фундаментальных свойствах материи.

Это продолжалось до 50-х годов 20-го века, когда были созданы новые, высокоэффективные солнечные ячейки. Они были изготовлены в компании Bell Labs Нью-Джерси, США, где ученые, в том числе Деррил Чапин (Dаrryl Chаpin), Кэлвин Фуллер (Calvin Fuller) и Джеральд Пирсон (Gerald Peаrson), исследовали эффект влияния света на полупроводники. Это были неметаллические материалы, такие как, например, германий и кремний, электрические характеристики которых находились между электрическими характеристиками проводников с малым сопротивлением электрическому току и изоляторов, в которых поток электронов полностью заблокирован. Они получили название «полупроводники».

За несколько лет до того, в 1948 году, два других исследователя из Bell Labs, Бардин и Бреттан (Bаrdeen and Brаttаin), используя полупроводники, изобрели другое революционное устройство - транзистор.

Транзисторы были сделаны из полупроводников в чистой кристаллической форме (обычно из кремния) с небольшими добавками, например, бора и/или фосфора. Этот процесс, известный, как активация, значительно изменяет характеристики полупроводников.

В 1953 ученые Чапин, Фулер и Пирсон (Chаpin, Fuller,Peаrson), исследуя поведение активированного кремния при его освещении солнечным светом, установили, что он более эффективен при выработке электроэнергии из солнечной энергии, чем рассматриваемые ранее системы. В 1954 г. они опубликовали статью, что им удалось поднять эффективность солнечных ячеек до 6%. Исследователи этой лаборатории показали область практического применения солнечных ячеек на примере их включения в качестве усилителя для сельских телефонных сетей, но в то время они были слишком дорогими, чтобы их использовать в качестве источника мощности в каких-либо устройствах.

В 1958, однако, солнечные ячейки использовались в качестве усилителя для маленького радиопередатчика второго американского спутника «Авангард-1». После этой первой успешной демонстрации использование солнечных батарей, как источников энергии, для летательных аппаратов стало обыденным.

Международная космическая станция с установленными фотоэлектрическими солнечными батареями мощностью 10 кВт.

За последние несколько десятилетий наблюдается значительный прогресс в повышении эффективности и снижении стоимости солнечных батарей. Они широко применяются для поставки электроэнергии для телевидения, освещения и питания электрических установок в отдаленных местах, куда подведение электроэнергии обычными электросетями было бы слишком дорогим.

Единичная мощность одной солнечной ячейки обычно равна 1,5 Вт, поэтому, чтобы получить большую мощность, ячейки соединяют вместе, в одн

Фотовольтаический эффект — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Фотовольтаический эффект (фотогальванический эффект) представляет собой химическое и физическое явление и характеризуется возникновением напряжения или электрического тока в веществе под воздействием света.^[1] Впервые его наблюдал французский физик А. Э. Беккерель в 1839 году^[2].

Фотовольтаический эффект напрямую связан с фотоэлектрическим эффектом, однако, это различныe процессы. При попадании света на поверхность вещества, электроны в основном состоянии поглощают энергию фотона и, возбуждаясь, переходят на новый энергетический уровень, где становятся свободными. Свободные электроны перемещаются под действием внутреннего электрического поля (потенциал Гальвани) к аноду. Положительный заряд, компенсирующий отрицательный заряд свободных электронов, называется дырка, и соответственно перемещается к катоду. Процесс, в котором два фотона поглощаются одновременно, называется двуфотонным фотовольтаическим эффектом.^[3]

Фотовольтаический эффект применяется для измерения интенсивности падающего света (например в фотодиодах) или для получения электричества в солнечных батареях. Из-за разницы в структуре вещества необходимо различать фотовольтаический эффект в неорганических кристаллических структурах, например, в кремниевых кристаллических батареях, и полимерных полупроводниках в полимерных солнечных батареях.^[4]

В апреле 2018 года ученые из Уорикского университета (University of Warwick) сообщили об обнаружении ими совершенного нового вида фотогальванического эффекта, который получил название "flexo-photovoltaics". Для создания этого эффекта необходимо взять достаточно обычный кристалл кремния и поразить поверхность этого материала чем-нибудь необычайно твердым и острым. А дальнейшие исследования этой разновидности эффекта откроет путь к созданию нового метода преобразования энергии, который может лечь в основу высокоэффективных солнечных батарей, к примеру^[5].

Фотовольтаика в Германии | Синтезгаз

Солнечные батареи на крыше многоэтажного дома

С 90-х годов прошлого века Германия прошла несколько фаз развития рынка фотовольтаики:

Стадия эмбриона, длившаяся примерно до 2000 года и завершившаяся формированием первоначальной законодательной базы, которая дала толчок дальнейшему бурному развитию отрасли;
Стадия стартапа, во время которой в течение 2000-2003 годов по программе «100 тысяч крыш» инсталлировались сотни мегаватт солнечных установок ежегодно;
Стадия бурного роста, начавшаяся в 2004 году и длящаяся до сих пор.

Стоимость инсталляции солнечной системы – $5,4 тыс. за 1 кВт мощности
Процентная ставка по кредитам на приобретение солнечной системы – 4% в год
Тариф на отпуск электроэнергии в сеть – $0,581 за 1 кВт
Чистая прибыль владельца системы – $522 в год

Для систем пиковой мощностью до 30 кВт – $0,581 за 1 кВт
Для систем пиковой мощностью более 30 кВт – $0,552 за 1 кВт
Для систем пиковой мощностью более 100 кВт – $0,534 за 1 кВт
Для систем пиковой мощностью более 1000 кВт – $0,446 за 1 кВт

Фотовольтаика — Википедия. Что такое Фотовольтаика

Фотовольтаика (от др.-греч. φῶς - свет + вольт^[1]) — раздел науки на стыке физики, фотохимии и электрохимии, изучающий процесс возникновения электрического тока в различных материалах под действием падающего на него света. Этот процесс известен как фотоэлектрический или фотовольтаический эффект. Особое практическое значение фотовольтаики состоит в преобразовании в электрическую энергию энергии солнечного света для целей солнечной энергетики.

История

Впервые возникновение электрического тока в освещаемом электролите наблюдал в 1839 году Анри Беккерель. Однако первый фотоэлектрический солнечный элемент был создан только через 44 года американским инженером Ч. Фриттсом. Поэтому именно 1883 год принято считать годом начала эры солнечной энергетики^[2].

Установить основные законы, описывающие фотоэлектрические процессы, удалось на рубеже XIX—XX веков. В конце XIX века в работах А. Г. Столетова была установлена эмпирическая связь между величиной фототока и световым потоком, падающим на образец (так называемый, 1-й закон фотоэффекта). А в 1905 году Альберт Эйнштейн разработал основы общей теории фотоэффекта, за что в 1921 году был награждён Нобелевской премией по физике^[2].

Теоретическая работа А. Эйнштейна позволила вести целенаправленные исследования по созданию эффективных солнечных элементов и заложила фундамент для создания нового направления в науке — солнечной фотовольтаики^[2].

Примечания

↑ photovoltaic / Dictionary.com: "Origin of photovoltaic .. photo- + voltaic"
↑ ¹ ² ³ Миличко и др., 2016, с. 801.

Литература

В. А. Миличко, А. С. Шалин, И. С. Мухин, А. Э. Ковров, А. А. Красилин, А. В. Виноградов, П. А. Белов, К. Р. Симовский. Солнечная фотовольтаика: современное состояние и тенденции развития // УФН. — 2016. — Т. 186. — С. 801–852. — DOI:10.3367/UFNr.2016.02.037703.

Фотовольтаика — Википедия. Что такое Фотовольтаика

История

Примечания

↑ photovoltaic / Dictionary.com: "Origin of photovoltaic .. photo- + voltaic"
↑ ¹ ² ³ Миличко и др., 2016, с. 801.

Литература

В. А. Миличко, А. С. Шалин, И. С. Мухин, А. Э. Ковров, А. А. Красилин, А. В. Виноградов, П. А. Белов, К. Р. Симовский. Солнечная фотовольтаика: современное состояние и тенденции развития // УФН. — 2016. — Т. 186. — С. 801–852. — DOI:10.3367/UFNr.2016.02.037703.

Обзор мирового рынка фотовольтаики за 2011 год. Cleandex

Фотовольтаика занимает по мощности третье место в сегменте возобновляемой энергетики, уступая ветроэнергетике и гидроэнергетике. На основе оценки возможностей фотовольтаики, можно сделать вывод, что на данный момент фотовольтаика способна обеспечить 2% спроса на электроэнергию в Европе. В 2010 данный показатель был равен 1,15%.

Мировой рынок фотовольтаики начинал развитие с 1999–2000 годов, и за десятилетний период общий объем инсталляций достиг мощности 70 ГВт. Это позволяет производить 85 млрд кВт-ч электроэнергии в год. Такого количества энергии хватает для обеспечения электричеством почти 20 миллионов домашних хозяйств. Основная часть находится в Европе. В 2011 году на Германию и Италию приходилось более 50% от общего фонда инсталляций. Но уже существующие рынки в США, Китае, Японии имеют серьезный потенциал в будущем. Страны Восточной Азии и Южной Америки еще пока не доверяют новому способу получения энергии, но вскоре эта ситуация может измениться.

Рисунок 1. Мировой рынок фотовольтаики, общее число инсталляций (источник: EPIA)

Можно выделить следующие основные показатели 2011 года:

Объем новых подключений — почти 30 ГВт.
Фотовольтаика стала третьей по значимости отраслью среди возобновляемых источников энергии по показателю суммарной установленной мощности.
Число национальных рынков мощностью более 1 ГВт выросло с трех до шести (Италия, Германия, Франция, Китай, Япония, США).
Прирост ввода новых мощностей составил 70%.

В последние годы стоит выделить следующие страны: США, Китай, Япония, Австралия. Эти страны в будущем будут продолжать развитие в направлении возобновляемой энергетики. Они обладают главным необходимым условием — поддержкой государства.

Таблица 1. Мировые рынки в 2010-2011 гг.

Рисунок 2. Установленная мощность фотовольтаики, ГВт (источник: EPIA)

Рисунок 3. Введения новых мощностей фотовольтаики, ГВт (источник: EPIA)

Из графиков видно, что за десятилетие отрасль фотовольтаики многократно увеличила суммарный объем установленной мощности.

Европа

В Европе фотовольтаика развивается в ряде стран: Испания, Чехия, Германия, Италия и другие. Но только Германия регулярно увеличивала число установленных модулей, в остальных же странах интерес к получению энергии из солнечного излучения носит скачкообразный характер.

Рисунок 4. Европейский рынок фотовольтаики, суммарный установленный объем, ГВт (источник: EPIA)

Резкий рост в 2010 году объясняется введением больших объемов фотовольтаики в Италии и Германии, суммарно прирост составил свыше 16 ГВт.

Таблица 2. Показатели использования фотовольтаики, установленная мощность

По данным таблицы можно разделить страны на два типа: те, которые активно продолжают строить новые станции, и те, которые достигли определенных мощностей, и не рискуют продолжать увеличивать мощности фотовольтаики. В первую группу стоит отнести Италию, Францию, Германию, Бельгию, Великобританию, Грецию. Типичными представителя второй Испания и Чехия.

Показатель Вт/житель дает представление о развитии данного сегмента в конкретной стране. Лидерами по данному показателю являются Германия, Бельгия, Чехия, Италия.

В 2011 году Европа увеличила совокупный показатель подключенной мощности на 50% по сравнению с 2010 годом. Такой результат был достигнут главным образом благодаря Италии, которая установила рекорд в секторе фотовольтаики (подключение станций общей мощностью 9284 МВт). Существенную роль также сыграли Германия, Франция, Великобритания, Бельгия.

В перспективе, наиболее активный рост ожидается в сегменте крышных инсталляций.

Рисунок 6. Диаграмма используемых типов инсталляций солнечных систем (источник: EPIA)

Остальной мир

Европа доминировала на мировом рынке фотовольтаики в течение многих лет, но остальной мир в долгосрочной перспективе имеет больший потенциал для роста. Движимый локальными и глобальными потребностями в энергии, быстрый рост прогнозируется в Китае и Индии, затем в Юго-Восточной Азии, Латинской Америке, Северной Африке и на Ближнем Востоке. Увеличение спроса в этих регионах будет поддерживаться низкими ценами на модули в 2011 году.

В 2011 году 7,7 ГВт солнечных систем было подключено к сети. Китай занимает первое место за пределами Европы с показателем в 2,2 ГВт, далее следуют США (1,9 ГВт) и Япония (1,3 ГВт). Серьезный рост наблюдался также в Австралии.

Рисунок 7. Подключение новых мощностей в 2011 году за пределами Европы (источник: EPIA)

За пределами Европы рынок хорошо сбалансирован, а три выше указанных страны обладают огромным потенциалом. За исключением австралийского бума в 2011 году, рынок остается под контролем в большинстве стран. В настоящий момент уже четыре не европейских страны входят в список 10 мировых лидеров — Япония, Китай, США, Австралия.

Совокупный объем мировой индустрии фотовольтаики составляет 100 млрд долл. В 2011 году производители столкнулись с жесткой конкуренцией в своем сегменте. Они пытались выжить на фоне избытка сырья и падения стоимости ФЭП. По оценкам экспертов, цена модулей упала на 40% — это связано с ростом конкуренции, с развитием производственных мощностей, а также с появлением новых технических особенностей производства.

На данный момент 12 из 15 крупнейших производителей ФЭП, модулей и пластин находятся в Азии. Китай и Тайвань занимают 61% от мирового производства (в 2010 — 50%). В 2011 году объемы производства в Европе упали на 14%, в Японии на 5%.

По состоянию на середину 2011 года в мире было порядка 400 производителей солнечных пластин, и 600 производителей модулей.

Рисунок 8. 15 крупнейших производителей модулей для фотовольтаики в 2011 году (источник: EPIA)

Данная диаграмма показывает 15 крупнейших производителей модулей. Их суммарная доля составляет 49% всего рынка, на 51% приходится на более мелкие производства.

Мировые инвестиции в ВИЭ в 2011 году увеличились на 5% до 260 млрд долл. Инвестиции в фотовольтаику опережали инвестиции в ветроэнергетику. Американские инвестиции в ВИЭ впервые с 2008 года по предварительным данным превзошли китайские. Рекордные инвестиции в ВИЭ в 2011 году были достигнуты в течение непростого года для мировой экономики вообще, и для сектора экологически чистой энергии в частности. Эта промышленность пережила серьезное давление на норму прибыли, стремительное падение цен акции, ряд громких банкротств.

Особенностью 2011 году стал 36% скачок объема инвестиций в солнечную энергетику до уровня 136,6 млрд долл. Это почти в 2 раза превысило инвестиции в ветроэнергетику (74,9 млрд долл.).

Рисунок 9. Мировые инвестиции в ВИЭ, млрд долл. (источник: REN21)

Инвестиции в Европе выросли на 3%, до 100,2 млрд долл. Основной их объем пришелся на проекты промышленных фотовольтаических станций.

Лидером в 2011 году среди стран была Италия, инвестиции составили порядка 24,1 млрд долл., что на 76% больше, чем в 2010. Наибольший рост по сравнению с прошлым годом показали Греция, Великобритания, Австралия. Что касается Германии, то она по прежнему тратит большие суммы на фотовольтаику (20 млрд долл.), правда это все же ниже на 20% прошлогоднего результата.

Дальнейшее развитие мирового рынка фотовольтаики, по прогнозу EPIA, может произойти по двум путям.

Умеренный. Представляет собой пессимистичные прогнозы. Не будет укрепления позиций возобновляемой энергетики, государственная поддержка уменьшится. Подобный сценарий наиболее вероятен в Европе.
Оптимистичный. Сценарий предполагает введение адекватных механизмов развития, в сопровождении с сильной политической поддержкой.

После добавления около 30 ГВт фотоэлектрических систем в 2011 году, рынок фотовольтаики находится на перекрестке. Ожидается, что рост рынков в остальном мире не сможет компенсировать замедленное развития рынка в Европе до 2016 года.

Такое соотношение сил дает отрицательную перспективу на большинстве рынков в течение пяти ближайших лет, особенно это касается Европы. Важную роль здесь сыграет: наличие открытых рынков, которые могут поглощать часть избытка выпускаемых фотоэлектрических систем, снижение себестоимости.

То снижение цены, которое произошло в 2011 году было вызвано огромным дисбалансом между спросом (около 30 ГВт) и предложением (около 50 ГВт). Неспособность существующих рынков, принять такой объем новых систем и привела с падению цен.

Рисунок 10. Динамика развития рынка фотовольтаики в ГВт, прогноз (источник: EPIA)

Число рынков, имеющих потенциал роста, ограничено, и дальнейшее быстрое снижение цен может привести к новой волне закрытий производств. Планируется, что более 350 ГВт станций будут подключены к сети к 2016 году, но достижение данного показателя будет зависеть исключительно от объемов государственной поддержки.

Фотовольтаика что это такое

Фотовольтаика - это... Что такое Фотовольтаика?

Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП)

ФЭП первого поколения

ФЭП второго поколения

ФЭП третьего поколения

Установка и использование

Примечания

солнечная электроэнергия – ответы на главные вопросы

Разновидности фотоэлектрических устройств

Солнечные элементы на основе перовскитов

Солнечная энергия для транспорта

Фотовольтаика в Германии | АльтерСинтез

Комментарии:

Об органической фотовольтаике замолвите слово. Часть 2 / Habr

3-е поколение: будущее уже здесь!

Roll-to-Roll process или напечатай меня как газету

Органическая фотовольтаика

Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)

Вместо заключения

Об органической фотовольтаике замолвите слово. Часть 1 / Habr

Введение

Есть ли свет после кристаллического кремния?

Состояние современного рынка солнечной энергетики.

Где и что производят и ставят?

Промежуточное заключение

Возобновляемая энергия. Раздел 3. Солнечная фотовольтаика

Фотовольтаический эффект — Википедия

Фотовольтаика в Германии | Синтезгаз

Комментарии:

Фотовольтаика — Википедия. Что такое Фотовольтаика

История

Примечания

Литература

Фотовольтаика — Википедия. Что такое Фотовольтаика

История

Примечания

Литература

Обзор мирового рынка фотовольтаики за 2011 год. Cleandex

Европа

Смотрите также