Saulės energijos panaudojimas: išsami pasaulinių saulės energijos tyrimų apžvalga

Saulė, dangiškoji jėgainė, siūlo neišsenkamą švarios energijos šaltinį. Dešimtmečius viso pasaulio mokslininkai ir inžinieriai buvo pasišventę atskleisti visą jos potencialą, peržengdami saulės energijos tyrimų galimybių ribas. Šios pastangos nėra vien tik elektros gamyba; tai – tvarios ateities mūsų planetai kūrimas, energetinio saugumo užtikrinimas ir ekonomikos augimo skatinimas įvairiose pasaulio bendruomenėse.

Nuo plačių Viduriniųjų Rytų dykumų iki saulės nutviekstų Australijos lygumų, nuo šurmuliuojančių Azijos didmiesčių iki novatoriškų Europos ir Amerikos centrų, saulės energija sparčiai keičia pasaulinį energetikos kraštovaizdį. Ši išsami apžvalga gilinasi į daugialypį saulės energijos tyrimų pasaulį, pabrėždama pagrindinius pasiekimus, išliekančius iššūkius ir jaudinančią šios gyvybiškai svarbios srities trajektoriją.

Fotovoltinių technologijų evoliucija: nuo silicio ir toliau

Saulės energijos pagrindas yra fotovoltinis (FV) efektas – procesas, kurio metu medžiagos tiesiogiai paverčia saulės šviesą elektra. FV technologijų kelias buvo nenuilstamų inovacijų kelias, kurį daugiausia lėmė siekis didesnio efektyvumo, mažesnių sąnaudų ir didesnio patvarumo.

Silicis: dominuojanti jėga

Didžiąją savo istorijos dalį silicis buvo pagrindinė saulės energijos pramonės darbinė medžiaga. Kristalinio silicio saulės elementai, tiek monokristaliniai, tiek polikristaliniai, šiuo metu dominuoja pasaulinėje rinkoje dėl savo įrodyto patikimumo ir nusistovėjusių gamybos procesų. Tačiau tyrimai ir toliau tobulina silicio pagrindu sukurtas technologijas:

• PERC (pasyvuoto emiterio ir galinės celės) technologija: Ji tapo standartu didelio efektyvumo silicio elementams, ženkliai pagerindama našumą mažinant elektronų rekombinaciją.
• TOPCon (tunelinio oksido pasyvuotas kontaktas): Atsirandanti kaip PERC įpėdinė, TOPCon technologija siūlo dar didesnį efektyvumą ir populiarėja rinkoje.
• Heterosandūros technologija (HJT): Derinant kristalinį silicį su amorfinio silicio plonomis plėvelėmis, HJT elementai pasižymi puikiais temperatūros koeficientais ir dvipusėmis galimybėmis, leidžiančiomis fiksuoti saulės šviesą iš abiejų pusių.
• Tarpusavyje sujungtų galinių kontaktų (IBC) celės: Šiose celėse visi elektriniai kontaktai yra galinėje pusėje, todėl pašalinamas šešėlis priekyje ir maksimaliai padidinama šviesos absorbcija, o tai lemia aukščiausios kokybės efektyvumą.

Vykdomi tyrimai silicio FV srityje yra skirti tolesniam gamybos sąnaudų mažinimui, našumo gerinimui esant prastam apšvietimui ir ilgaamžiškumo didinimui. Inovacijos plokštelių ploninimo, pažangių metalizacijos metodų ir naujų pasyvuojančių sluoksnių srityse nuolat prisideda prie šių tikslų.

Atsirandančios fotovoltinės medžiagos: ne tik silicis

Nors silicis tebedominuoja, siekis sukurti dar efektyvesnius, lankstesnius ir ekonomiškesnius saulės energijos sprendimus paskatino intensyvius alternatyvių medžiagų tyrimus:

Perovskito saulės elementai: kylančios žvaigždės

Perovskito saulės elementai sužavėjo viso pasaulio mokslininkus dėl savo nepaprastos pažangos efektyvumo srityje, dažnai prilygstančios ar net lenkiančios silicį laboratorinėmis sąlygomis. Jų pagrindiniai privalumai:

• Didelis galios konversijos efektyvumas (PCE): Perovskito elementai greitai pasiekė PCE, viršijantį 25 %, o tai siliciui užtruko dešimtmečius.
• Apdorojamumas tirpalu: Juos galima gaminti naudojant pigius, tirpalais pagrįstus metodus, o tai potencialiai leidžia gaminti lanksčius ir lengvus saulės modulius „nuo ritinio ant ritinio“ (angl. roll-to-roll).
• Derinami draustinių energijos juostų pločiai: Perovskitų optines savybes galima derinti, todėl jie idealiai tinka tandeminiams saulės elementams.

Vis dėlto išlieka iššūkių, visų pirma susijusių su perovskito medžiagų ilgalaikiu stabilumu ir patvarumu esant aplinkos poveikiui (karščiui, drėgmei, UV spinduliuotei). Tyrimai intensyviai orientuoti į stabilių perovskito formulių kūrimą, efektyvių inkapsuliavimo metodų ir bešvinių alternatyvų, siekiant išspręsti toksiškumo problemas. Tokios šalys kaip Pietų Korėja, Vokietija ir Kinija yra perovskito tyrimų ir plėtros priešakyje.

Organinė fotovoltika (OPV)

Organiniai fotovoltiniai (OPV) elementai, pagaminti iš anglies pagrindu sukurtų medžiagų, pasižymi unikaliais pranašumais, tokiais kaip lankstumas, skaidrumas ir apdorojimas žemoje temperatūroje. Nors jų efektyvumas paprastai yra mažesnis nei silicio ar perovskitų, jų potencialios taikymo sritys yra plačios, įskaitant integraciją į statybines medžiagas, nešiojamąją elektroniką ir išmaniuosius langus.

Kadmio telūridas (CdTe) ir vario indžio galio selenidas (CIGS)

Šios plonasluoksnės technologijos įsitvirtino kaip perspektyvios alternatyvos siliciui. Ypač CdTe pasiekė didelę komercinę sėkmę dėl savo ekonomiškumo ir gero našumo didelio masto komunaliniuose projektuose. CIGS siūlo lankstumą ir gerą našumą, tačiau susiduria su gamybos sudėtingumais. Tyrimai ir toliau gerina jų efektyvumą ir mažina medžiagų sąnaudas.

Tandeminiai saulės elementai: peržengiant efektyvumo ribas

Viena iš perspektyviausių krypčių, siekiant viršyti teorines vienos sandūros saulės elementų efektyvumo ribas, yra tandeminių saulės elementų kūrimas. Šiuose įrenginiuose sudedami keli saulės elementai, pagaminti iš skirtingų medžiagų, kurių kiekvienas optimizuotas sugerti tam tikrą saulės spektro dalį. Tai leidžia išsamiau panaudoti saulės šviesą.

• Perovskito ir silicio tandeminiai elementai: Šis derinys yra ypač jaudinantis, nes jame panaudojamas didelis perovskitų efektyvumas mėlynajame spektre ir nusistovėjęs silicio našumas raudonajame spektre. Laboratorinis šių tandeminių elementų efektyvumas jau viršijo 30 %, o tai yra reikšmingas etapas.
• III-V grupės daugiasandūriai elementai: Tai šiuo metu efektyviausi turimi saulės elementai, pasiekiantys daugiau nei 40 % efektyvumą. Tačiau dėl didelių gamybos sąnaudų jų taikymas apsiriboja daugiausia kosmoso ir specializuotomis koncentruojančiosios fotovoltikos (CPV) sistemomis. Tyrimais siekiama sumažinti jų kainą, kad būtų galima naudoti antžeminiuose įrenginiuose.

Efektyvių ir stabilių tarpinių sluoksnių tarp skirtingų puslaidininkinių medžiagų kūrimas yra labai svarbus tandeminių saulės elementų sėkmei, ir tai tebėra aktyvi pasaulinių tyrimų sritis.

Daugiau nei elementas: saulės modulių ir sistemų inovacijos

Saulės technologijų pažanga apima ne tik atskirą saulės elementą. Modulių projektavimo, gamybos ir sistemų integravimo naujovės yra vienodai svarbios plačiam pritaikymui ir optimaliam našumui.

Dvipusiai saulės moduliai

Dvipusiai saulės moduliai, galintys fiksuoti saulės šviesą tiek iš priekinio, tiek iš galinio paviršiaus, užima vis didesnę rinkos dalį. Sugerdami atspindėtą šviesą nuo žemės ar aplinkinių paviršių, dvipusiai moduliai gali padidinti energijos gamybą 5–25 %, priklausomai nuo įrengimo aplinkos ir žemės paviršiaus albedo (atspindžio koeficiento). Tyrimai skirti optimizuoti modulių dizainą, montavimo konstrukcijas ir vietos parinkimą siekiant maksimalios dvipusės naudos.

Koncentruojančioji fotovoltika (CPV)

CPV sistemose naudojami lęšiai arba veidrodžiai, kurie koncentruoja saulės šviesą į labai efektyvius, mažo ploto saulės elementus (dažnai daugiasandūrius). Nors CPV reikalauja tiesioginės saulės šviesos ir sekimo sistemų, ji gali pasiekti labai aukštą sistemos efektyvumą. Šios srities tyrimai skirti optinių konstrukcijų tobulinimui, tvirtesnių ir ekonomiškesnių sekimo mechanizmų kūrimui bei CPV integravimui su kitomis energetikos technologijomis.

Į pastatus integruota fotovoltika (BIPV)

Į pastatus integruota fotovoltika (BIPV) sklandžiai įtraukia saulės elementus į statybines medžiagas, tokias kaip stogai, fasadai ir langai. Tai ne tik gamina švarią energiją, bet ir tarnauja kaip struktūrinis ar estetinis pastato komponentas. Tyrimai yra labai svarbūs kuriant BIPV sprendimus, kurie būtų estetiški, patvarūs, atsparūs oro sąlygoms ir konkurencingi kainos atžvilgiu su įprastomis statybinėmis medžiagomis. Spalvotų saulės elementų, skaidrių FV technologijų ir lanksčios FV integracijos inovacijos yra pagrindinės sritys.

Svarbus energijos saugojimo ir tinklo integracijos vaidmuo

Dėl protarpinio saulės energijos pobūdžio, priklausančio nuo saulės šviesos prieinamumo, būtini patikimi energijos saugojimo sprendimai ir išmanios tinklo integravimo strategijos. Tai yra kritinis taškas, kuriame saulės energijos tyrimai susikerta su platesnėmis energetikos sistemos naujovėmis.

Baterijų technologijų pažanga

Ličio jonų baterijos išlieka dominuojančia saulės energijos saugojimo technologija, tačiau tyrimai sparčiai plėtoja kitas chemines medžiagas ir saugojimo metodus:

• Kietojo kūno baterijos: Žada didesnį energijos tankį, greitesnį įkrovimą ir geresnį saugumą, palyginti su skysto elektrolito baterijomis.
• Srauto baterijos: Dėl savo mastelio keitimo galimybių ir ilgo tarnavimo laiko puikiai tinka tinklo masto saugojimui.
• Natrio jonų baterijos: Atsirandanti alternatyva, kurioje naudojamos gausesnės ir pigesnės medžiagos nei litis.
• Mechaninis saugojimas (hidroakumuliacinės elektrinės, suslėgtas oras): Šios nusistovėjusios technologijos papildo elektrocheminį saugojimą ir yra labai svarbios didelio masto tinklo stabilumui.
• Šiluminės energijos saugojimas: Iš saulės šilumos kolektorių pagamintos šilumos saugojimas vėlesniam naudojimui elektros gamybai ar šildymo reikmėms.

Tyrimais siekiama pagerinti visų šių saugojimo technologijų energijos tankį, ciklų skaičių, įkrovimo greitį, saugumą ir ekonomiškumą. Šių saugojimo sprendimų integravimas su saulės FV yra gyvybiškai svarbus siekiant užtikrinti patikimą ir stabilų elektros energijos tiekimą.

Išmanieji tinklai ir paklausos valdymas

Didelių kiekių kintančios saulės energijos integravimas į esamus elektros tinklus reikalauja sudėtingų išmaniųjų tinklų technologijų. Tai apima:

• Pažangus prognozavimas: Tikslus saulės energijos gamybos prognozavimas siekiant optimizuoti tinklo veiklą.
• Paklausos valdymas: Vartotojų skatinimas perkelti savo elektros energijos vartojimą į didelio saulės energijos prieinamumo laikotarpius.
• Tinklo modernizavimas: Skaitmeninių ryšių ir valdymo sistemų diegimas siekiant efektyviai valdyti paskirstytosios energijos išteklius.
• Virtualiosios elektrinės (VPP): Paskirstytųjų saulės ir saugojimo išteklių sujungimas, kad jie veiktų kaip vienas, valdomas energijos šaltinis.

Tinklo integracijos tyrimai skirti optimalaus valdymo algoritmų kūrimui, išmaniųjų tinklų kibernetiniam saugumui ir politikai, palengvinančiai sklandų atsinaujinančių išteklių integravimą. Tai yra pasaulinis iššūkis, o tokios šalys kaip Vokietija, Danija ir Kalifornija pirmauja diegiant išmaniuosius tinklus.

Tvari gamyba ir žiedinė ekonomika saulės energetikoje

Saulės energijos pramonei plečiantis visame pasaulyje, tampa itin svarbu užtikrinti tvarią gamybos praktiką ir taikyti žiedinės ekonomikos modelį.

Aplinkosauginio pėdsako mažinimas

Tyrimai skirti:

• Medžiagų naudojimo mažinimui: Plonesnių plokštelių ir efektyvesnių plonasluoksnių technologijų kūrimas, siekiant sumažinti silicio ir retųjų žemės elementų suvartojimą.
• Ekologiškiems gamybos procesams: Vandens naudojimo, energijos suvartojimo ir cheminių atliekų mažinimas saulės modulių gamyboje.
• Atsakingam tiekimui: Užtikrinti etišką ir tvarų žaliavų pirkimą.

Saulės modulių perdirbimas ir pakartotinis naudojimas

Prognozuojant saulės elektrinių augimą, susidėvėjusių modulių tvarkymas tampa vis didesniu rūpesčiu. Saulės modulių perdirbimo tyrimais siekiama:

• Efektyvaus medžiagų atskyrimo: Ekonomiškų metodų kūrimas, siekiant atskirti vertingas medžiagas, tokias kaip silicis, sidabras, varis ir stiklas, iš nebenaudojamų modulių.
• Uždaro ciklo perdirbimo: Atgautų medžiagų grąžinimas atgal į gamybos procesą.
• Patvarių ir taisomų modulių kūrimo: Saulės modulių tarnavimo laiko prailginimas sumažina keitimo dažnumą ir vėlesnį perdirbimo poreikį.

Europos Sąjunga, su tokiomis iniciatyvomis kaip WEEE direktyva, nustato tvirtą precedentą žiedinės ekonomikos principams saulės energijos sektoriuje, skatindama tyrimus ir investicijas į perdirbimo infrastruktūrą.

Pasauliniai iššūkiai ir galimybės saulės energijos tyrimų srityje

Siekiant saulės energija pagrįstos ateities, susiduriama su iššūkiais ir didžiulėmis galimybėmis.

Pagrindiniai iššūkiai

• Sąnaudų mažinimas: Nors saulės FV tapo vis labiau prieinama, reikalingas tolesnis gamybos, įrengimo ir susijusių technologijų (pvz., saugojimo) sąnaudų mažinimas, kad ji būtų visuotinai prieinama.
• Protarpinis pobūdis ir tinklo stabilumas: Efektyvus kintančios saulės energijos gamybos valdymas, siekiant užtikrinti tinklo patikimumą, išlieka pagrindiniu techniniu ir operaciniu iššūkiu.
• Žemės naudojimas: Didelio masto saulės elektrinėms reikia didelių žemės plotų, o tai kelia susirūpinimą dėl konkurencijos su žemės ūkiu ir biologine įvairove.
• Tiekimo grandinės priklausomybės: Priklausomybė nuo konkrečių medžiagų ir gamybos centrų gali sukelti geopolitinį pažeidžiamumą.
• Politikos ir reguliavimo sistemos: Nenuosekli ar nepalanki politika daugelyje regionų gali trukdyti investicijoms ir diegimui.

Atsirandančios galimybės

• Dekarbonizacijos tikslai: Pasauliniai įsipareigojimai kovoti su klimato kaita skatina precedento neturinčią atsinaujinančios energijos paklausą, o saulės energija yra priešakyje.
• Energetinė nepriklausomybė: Saulės energija suteikia tautoms galimybę sumažinti priklausomybę nuo importuojamo iškastinio kuro, didinant energetinį saugumą.
• Ekonominė plėtra: Saulės energijos pramonė kuria darbo vietas gamybos, įrengimo, priežiūros ir tyrimų srityse, skatindama ekonomikos augimą visame pasaulyje.
• Technologinės sinergijos: Saulės technologijų susiliejimas su dirbtiniu intelektu, pažangiomis medžiagomis ir skaitmenizacija atveria naujas inovacijų galimybes.
• Besivystančios šalys: Saulės energija yra transformuojanti technologija, skirta kaimo ir nepakankamai aprūpintų bendruomenių elektrifikavimui, gerinant gyvenimo kokybę ir ekonomines galimybes.

Saulės energijos tyrimų ateitis: žvilgsnis į priekį

Saulės energijos tyrimų sritis yra dinamiška ir toliau sparčiai vystosi. Ateities pasiekimai greičiausiai bus sutelkti į:

• Itin didelio efektyvumo elementus: Dabartinių efektyvumo rekordų viršijimas pasitelkiant naujas medžiagas, sudėtingas tandemines struktūras ir pažangius šviesos valdymo metodus.
• DI pagrįstą medžiagų atradimą: Dirbtinio intelekto ir mašininio mokymosi naudojimas siekiant paspartinti naujų fotovoltinių medžiagų atradimą ir optimizavimą.
• Integruotus saulės sprendimus: Sklandus saulės energijos gamybos integravimas į kasdienius daiktus, infrastruktūrą ir net drabužius.
• Perovskito stabilumo proveržius: Ilgalaikio perovskito saulės elementų veikimo stabilumo pasiekimas, atveriantis visą jų komercinį potencialą.
• Pažangią energijos saugojimo integraciją: Labai efektyvių ir ekonomiškų saugojimo sprendimų, kurie puikiai papildytų saulės energijos gamybą, kūrimas.
• Kosmose pagrįstą saulės energiją: Saulės energijos rinkimo kosmose ir jos belaidžio perdavimo į Žemę koncepcijos tyrinėjimas – tai ilgalaikė vizija su didžiuliu potencialu.

Bendros viso pasaulio mokslininkų, inžinierių, politikos formuotojų ir pramonės lyderių pastangos yra labai svarbios siekiant įgyvendinti visą saulės energijos potencialą. Toliau investuodami į saulės energijos tyrimus ir teikdami jiems prioritetą, galime paspartinti perėjimą prie švarios, tvarios ir teisingos energetikos ateities visiems.

Saulės energija yra dovana. Saulės energijos tyrimai – tai mūsų būdas atsakingai ją išpakuoti.