当今太阳能发电面临的最大问题以及解决方法

当今太阳能发电面临的最大问题以及解决方法

过去十年，太阳能安装行业年均增长率达24%。美国国家可再生能源实验室(NREL) 2021 年的一项研究预计，到 2035 年，美国 40% 的发电量将来自太阳能。太阳能目前的趋势和预测看起来很有希望，光伏（PV）装置在解决碳污染和能源依赖等能源问题方面发挥着重要作用。然而，与太阳能相关的挑战可能会减缓增长，并使房主和企业更难获得太阳能。这些问题包括太阳能与电网连接的问题、设备短缺、供应链延误、缺乏用于商业太阳能电池阵列的土地，以及缺乏满足安装需求的合格承包商和劳工。

光伏效率的技术限制

美国能源部将太阳能转换效率定义为“照射到光伏设备上的太阳能转化为可用电力的百分比”。该机构指出，大部分照射到光伏电池上的阳光在转换过程中都会损失掉。光要么被反射，要么转化为热量，而不是转化为电能。

复合是限制光伏效率的另一个因素。当带电荷的电子遇到光伏材料中的缺陷或与不带电子的称为“空穴”的电荷载体合并时，就会发生这种情况。在重组过程中，能量变成光子或热量，而不是产生能量。

目前，大多数电池板的效率为17-20%。

提高光伏发电效率的解决方案

研究人员开发了多结光伏电池等新技术，可将效率提高到 45% 以上。在这项技术投入商业使用之前，需要解决制造成本、材料可用性和其他因素。

另一种解决方案是双面太阳能电池板，其底部装有电池，可以捕捉从地面、屋顶或其他反射表面反射的光。如果与可调整以最大限度地全天接触阳光的太阳跟踪面板相结合，双面面板的效率比单面面板高 30-40%。

太阳能间歇性和存储挑战

太阳能间歇性是与光伏电池板效率相关的最明显的问题。除了极端纬度地区每年有一小段时间外，每天 24 小时都看不到太阳。太阳能用户在日落后需要使用其他电源，公用事业公司不能仅依靠太阳能为其客户提供电力。

一种解决方案是在白天捕获额外的能量并将其存储起来。然而，存储问题很常见。电池增加了太阳能安装的成本。用于家庭能源的电池成本为8,500 至 10,000 美元，不包括安装和维护。这些系统可能不足以覆盖高能源使用时段，例如在极端温度下为房屋供暖或制冷。

提高太阳能可靠性的解决方案

住宅和小型企业客户最常见的解决方案之一是净计量。用户保持公用事业连接，他们的系统将未使用的能量反馈回电网。公用事业公司提供积分，客户可以用这些积分来支付天黑后电网的电费。

电池技术正在不断进步，智能能源管理软件可以帮助太阳能用户根据用电模式最大限度地提高效率。更高效的锂离子电池和更安全、充电更快的固态电池等进步即将到来。这些可以使存储更加高效、更具成本效益，并使更多太阳能用户能够脱离电网。

太阳强度的地理变化

一般来说，越靠近赤道的地方，接收到的太阳辐射越多，光伏电池产生的能量就越多。然而，污染、云量、树叶、海拔和其他因素也会影响太阳能电池板的太阳能量。

在太阳辐射水平较低的地区，例如高纬度地区，太阳能电池板可能不会产生那么多的能量，这使得它们成为成本效益较低的选择。对于有大量云层和降雨量的地区来说，情况也是如此。

太阳强度限制的解决方案

太阳能优化是已经取得重大进展的领域之一。例如，太阳能跟踪技术允许电池板调整太阳位置的每日和季节性变化。双轴面板依靠软件根据给定时间的可用阳光计算理想的角度和倾斜度。这些系统在公用事业规模的地面安装系统中很常见，可确保面板始终处于最大化太阳辐射暴露的位置。

人工智能驱动的软件还可以执行高级现场分析，并使用数学模型来帮助优化太阳能电池阵列中电池板的放置、位置和角度。借助这些工具，您可以设计地面安装和屋顶系统并计算产量，以确保最大程度地接触太阳能。

与其他能源相比具有成本竞争力

太阳能本身具有成本效益。系统可产生免费能源，且其使用寿命（平均 30 至 35年）的维护有限。然而，许多人必须决定太阳能是否值得投资。

这种犹豫不决的原因是太阳能安装的前期成本以及他们有时可能仍需要支付补充电力费用的知识。EnergySage 认为家庭太阳能光伏系统的平均成本为 30,000 美元，如果利用政府激励措施，价格将降至 21,000 美元左右。

如此巨额的初始投资可能会让一些客户无法接受太阳能，而另一些客户则担心他们的投资回报。

成本效益解决方案

联邦和州的激励措施降低了房主和企业太阳能光伏安装的总体成本。然而，其他发展可能有助于降低成本。

NREL 记录了2010 年代太阳能装置价格大幅下降的趋势，其中大部分成本下降是由于面板和设备成本下降。2021 年，能源部宣布进一步降低价格，目标是到 2030 年安装成本降低 60%。

美国能源部指出，有前途的技术和低成本材料（例如钙钛矿）的进步是降低成本的主要因素。此外，国内面板产量的增加将有助于避免关税和地缘政治问题。

土地使用要求

太阳能电池板需要很大的面积来产生能量。公用事业规模的太阳能发电场使用的土地至少是煤炭和天然气发电厂的十倍，其中包括提取和运输化石燃料的土地，以产生相当数量的电力。这引起了农业等部门的担忧，农民担心最好的农田可能会被指定用于太阳能开发。

最后，美国能源部还承认对大型阵列可能影响野生动物的担忧，强调了对水质、鸟类碰撞和生态系统破坏的担忧。

土地利用问题的解决方案

设计和优化是限制大型太阳能发电厂规模的关键要素。公用事业提供商可以使用专门的软件来测量太阳能电池阵列的潜在发电量。这些工具将使能源公司能够最大限度地减少面积，同时最大限度地提高产量。

其他进展集中在农业光伏这一新领域，该领域涉及将太阳能整合到农田中而不影响农作物生产。诸如升高的安装系统和选择遮荫作物等解决方案是这项工作的一部分，一些农民发现太阳能电池板提供的温度调节优势可以提高农场产量。

太阳能电池板的生命周期和环境影响

太阳能电池板会随着时间的推移而退化，其使用寿命取决于其建造质量、维护和当地条件。大多数电池板在 30 年后仍保留 80% 的发电能力。然而，之后，它们需要被移除和更换。环保倡导者对无法回收板材以及其中一些含有潜在危险材料表示担忧。

对环境的影响不仅仅是浪费。虽然电池板本身产生的能量没有碳排放，但电池板生命周期中的其他过程可能并不那么清洁。开采必要的矿物和制造面板可能会产生污染，增加太阳能的总体碳足迹。这同样适用于将面板运输到安装位置。这些因素增加了电池板对环境的影响，可能抵消了它们提供的一些好处。

减少环境影响的解决方案

最近的研究主要集中在太阳能电池板的回收利用上，一些研究在旧太阳能电池板中的硅的再利用方面取得了有希望的结果。这些发展最终可能导致材料的再利用，限制浪费。

与此同时，NREL 强调了可将太阳能电池板的使用寿命延长至 50 年或更长的研究工作。这项工作需要尝试不同的电池和模块技术并致力于面板封装。

近年来太阳能的惊人增长，前景一片光明。研究人员和公司正在积极尝试解决阻碍太阳能光伏行业发展的许多问题，政府也继续提供激励措施并制定政策，重点关注让每个人都更容易获得清洁能源。