¿Cuál es el concepto de nueva energía fotovoltaica?
Actualmente, en la estructura del consumo de energía, los recursos minerales como el petróleo, el carbón, el gas natural y el uranio representan más del 80% del suministro de energía humana. Sin embargo, las reservas de energía mineral convencional son limitadas y, si se explotan sin restricciones, el mundo pronto afrontará una crisis de escasez de energía. Además, tras el uso de energía fósil convencional se emiten grandes cantidades de CO2, SO2, residuos nucleares, etc., que amenazan el medio ambiente humano. En los últimos años, el calentamiento global, el derretimiento de los glaciares polares, el aumento del nivel del mar, los frecuentes desastres naturales, la pérdida de biodiversidad, la expansión de la lluvia ácida y la expansión de los agujeros en la capa superior de ozono son todos causados por el uso extensivo y la dependencia de la humanidad de la energía tradicional. fuentes.
Fuente: Actas del Seminario sobre la estrategia de desarrollo de energías renovables de China.
Gráfico 1 La vida útil de los principales recursos energéticos del mundo y de China.
Desarrollar la protección del medio ambiente y las energías renovables es la forma más eficaz de resolver los problemas anteriores, y también es un factor clave para que la humanidad sobreviva para siempre en la tierra. Entre las muchas fuentes de energía renovables, la energía solar es la única que puede sustituir en gran medida a las fuentes de energía tradicionales. En la industria de la energía solar, la industria fotovoltaica es la industria de energías renovables de más rápido crecimiento debido a sus numerosas ventajas y es, sin duda, la industria más prometedora.
Fuente: Informe de la Agencia Internacional de Energía Información sobre Energías Renovables 2010.
Gráfico 2 Tasa de crecimiento anual de la oferta mundial de energías renovables de 1990 a 2008
1 Características de la industria fotovoltaica
La energía solar es la única que puede garantizarla. las necesidades energéticas futuras de la humanidad. La generación de energía fotovoltaica es un proceso puramente físico que utiliza energía solar para convertir fotones en electrones. Durante el proceso de conversión no se emiten sustancias nocivas. Sus características son las siguientes:
Suficiencia: Según el informe del Departamento de Energía de Estados Unidos (abril de 2005), los recursos hidroeléctricos potenciales globales son 4,6 TW (1TW = 1012W), y los recursos económicamente explotables son sólo 0,9 TW; los recursos reales explotables de la energía eólica son de 2 a 4 TW de energía de biomasa y 3 TW; la energía oceánica es de menos de 2 TW; los recursos potenciales de energía solar son de 120 000 TW, y los recursos reales explotables llegan a 600 TW.
Seguridad: Operación confiable y uso seguro; la generación de energía es regular y predecible (la programación es más fácil que la generación de energía eólica).
Extensividad: riqueza en materiales de producción (el contenido de silicio en la corteza terrestre ocupa el segundo lugar), amplia superficie de construcción (desierto, edificios, etc.) y escala adecuada.
Sin mantenimiento: larga vida útil (20-50 años, la eficiencia cae un 20% después de 25 años de funcionamiento), sin mantenimiento y sin supervisión.
Limpio: sin consumo de combustible, cero emisiones, sin ruido, sin contaminación, corto periodo de recuperación de energía (0,8 ~ 3,0 años).
2. La historia del desarrollo de la industria fotovoltaica
Las primeras investigaciones sobre la energía solar en el mundo se remontan a 1839, cuando el físico francés Becquerel descubrió por primera vez el efecto fotovoltaico. 1904, Einstein El efecto fotovoltaico se explicó teóricamente y pronto se confirmó experimentalmente. En 1954, Bell Labs produjo la primera célula fotovoltaica de silicio monocristalino; en 1959, se lanzó la primera célula fotovoltaica de silicio policristalino con una eficiencia de conversión fotoeléctrica de 5, y las células fotovoltaicas de silicio cristalino se integraron por primera vez en la red eléctrica convencional; en 1969, se construyó la primera central fotovoltaica del mundo. Construida en Francia en 1975, Estados Unidos produjo células fotovoltaicas de silicio amorfo desde 65438 hasta principios de la década de 1980, y las células fotovoltaicas comenzaron a producirse en masa. En 1983, Estados Unidos estableció la central fotovoltaica más grande del mundo en California; en 1983, la producción mundial de módulos fotovoltaicos alcanzó los 21,3 MW (1 MW = 106 W) y la industria fotovoltaica comenzó a tomar forma. Después de la década de 1990, bajo la presión de la crisis energética y el calentamiento global, las energías renovables han recibido una atención cada vez mayor. Los gobiernos de Alemania, Estados Unidos y Japón han propuesto sucesivamente el "Plan Fotovoltaico sobre Tejados" y el "Plan Nuevo Sol" para la generación de energía fotovoltaica. Impulsada por políticas, regulaciones y planes de acción gubernamentales, la industria fotovoltaica global está creciendo rápidamente como una industria emergente, y la generación de energía solar fotovoltaica se considera la energía de más rápido crecimiento entre las diez principales fuentes de energía del mundo.
El desarrollo y transferencia del mercado fotovoltaico mundial después de 1990 ha pasado por tres etapas.
En la primera etapa, antes de 1996, el mercado fotovoltaico estadounidense representaba el 32,1% del mercado mundial, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 25%, lo que lo convertía en el centro del mercado fotovoltaico mundial. En la segunda etapa, de 1996 a 2002, el mercado fotovoltaico japonés mantuvo una tasa de crecimiento anual promedio del 35% y se convirtió en el mayor consumidor del mercado fotovoltaico. En los últimos años, el mercado japonés ha disminuido ligeramente, pero las ventas de inventario todavía se encuentran entre las primeras del mundo. En 2007, el parque de centrales fotovoltaicas alcanzó aproximadamente 1 GW (109 W). En la tercera etapa, desde 2003 hasta el presente, la UE se ha convertido en la fuerza principal absoluta en el mercado. Gracias a las políticas de subsidio fotovoltaico de Alemania y España, ha estimulado rápidamente la formación del centro de mercado de la UE. Actualmente, casi el 80% de los productos fotovoltaicos de China se exportan a la UE.
Fuente: EPIA (Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica, la asociación de la industria solar fotovoltaica más grande del mundo)
Gráfico 3 Proporción de instalación de productos fotovoltaicos en varias regiones en 2009
Tres, tendencia de desarrollo de la tecnología de generación de energía fotovoltaica
La industria de generación de energía fotovoltaica, que ahora ha entrado en competencia comercial, se divide principalmente en células fotovoltaicas de silicio cristalino, células fotovoltaicas de película delgada y células fotovoltaicas concentradas según la batería. ruta tecnológica. Entre ellas, las células fotovoltaicas de silicio cristalino son actualmente las más maduras y desempeñan un papel protagonista en las aplicaciones.
Según los materiales utilizados, las células solares también se pueden dividir en: células fotovoltaicas de silicio, células fotovoltaicas de película fina multicompuestos, células fotovoltaicas de electrodos modificados multicapa de polímero, células fotovoltaicas nanocristalinas, células fotovoltaicas orgánicas, etc.
Gráfico 4 Clasificación de células fotovoltaicas y eficiencia de conversión de producción en masa
1. Células fotovoltaicas de película delgada multicomponente
El material de película delgada de múltiples componentes Las células fotovoltaicas son sales inorgánicas, que incluyen principalmente compuestos de arseniuro de galio III-V, sulfuro de cadmio, telururo de cadmio y células fotovoltaicas de película fina de seleniuro de indio y cobre.
Las células fotovoltaicas de película delgada de sulfuro de cadmio y telururo de cadmio son más eficientes que las células fotovoltaicas de película delgada de silicio amorfo, tienen un costo menor que las células fotovoltaicas de silicio cristalino y son más fáciles de producir en masa. Sin embargo, el cadmio es altamente tóxico y puede causar una grave contaminación al medio ambiente, por lo que no es la célula fotovoltaica más ideal.
La eficiencia de conversión de las células fotovoltaicas compuestas de arseniuro de galio (GaAs) III-V puede alcanzar 40. El material compuesto de GaAs tiene una banda prohibida óptica ideal, alta eficiencia de absorción, fuerte resistencia a la radiación y no es sensible al calor, lo que lo hace adecuado para la fabricación de celdas de unión simple de alta eficiencia. Sin embargo, los materiales de GaAs son caros, lo que limita en gran medida la popularidad de las baterías de GaAs.
Las células fotovoltaicas de película delgada (CIS) de seleniuro de indio y cobre son adecuadas para la conversión fotoeléctrica, no hay problemas de degradación fotoinducida y la eficiencia de conversión también es alta. Tiene las ventajas de bajo precio, buen rendimiento y proceso simple, y se convertirá en una dirección importante para el desarrollo de células fotovoltaicas en el futuro. El único problema es de dónde viene el material. El indio y el selenio son elementos raros y el desarrollo de este tipo de baterías será limitado.
2. Células fotovoltaicas de electrodos modificados multicapa de polímero
Reemplazar materiales inorgánicos con polímeros orgánicos en células fotovoltaicas de electrodos modificados de múltiples capas de polímero es solo una dirección de investigación en la fabricación de células fotovoltaicas. Los materiales orgánicos son de gran importancia para la utilización a gran escala de la energía solar y el suministro de electricidad barata debido a sus ventajas como buena flexibilidad, fácil fabricación, amplia fuente de materiales y bajo costo. Sin embargo, la investigación sobre el uso de materiales orgánicos para preparar células fotovoltaicas apenas ha comenzado. Ni la vida útil ni la eficiencia de las células pueden compararse con los materiales inorgánicos, especialmente las células fotovoltaicas de silicio cristalino. Si se puede desarrollar en productos de importancia práctica requiere más investigación y exploración.
3. Células fotovoltaicas nanocristalinas y células fotovoltaicas orgánicas
La eficiencia de conversión de las células fotovoltaicas nanocristalinas puede llegar a 10 y la eficiencia de conversión de las células fotovoltaicas orgánicas puede llegar a 6. La eficiencia de conversión es todavía relativamente bajo. Estos dos tipos de baterías aún se encuentran en la etapa de investigación y exploración y es poco probable que estén disponibles comercialmente a gran escala en poco tiempo.
4. Células solares concentradas
Las mayores ventajas de las células fotovoltaicas concentradas son su alta eficiencia de conversión (30 ~ 40) y su tamaño reducido. El sistema de generación de energía fotovoltaica concentrada consta principalmente de células solares concentradas de alta eficiencia, un sistema de seguimiento concentrado de alto rendimiento y un eficaz sistema de refrigeración de la batería.
Debido a que aún no se ha finalizado la ruta técnica para las células fotovoltaicas concentradas de alta eficiencia, aún no se ha formado una cadena industrial a gran escala para la generación de energía fotovoltaica concentrada y los costos de los sistemas de seguimiento de luz concentrada de alto rendimiento y los sistemas efectivos de enfriamiento de baterías. son difíciles de controlar, por lo que la generación de energía fotovoltaica concentrada no tiene ninguna ventaja por el momento.
5. Células fotovoltaicas de silicio cristalino y células fotovoltaicas de película delgada
También hay muchas discusiones sobre "silicio cristalino" y "película delgada". A juzgar por el comportamiento del mercado, la cuota de mercado de las "películas finas" ha seguido creciendo desde 2005, llegando a 18 en 2009 (fuente de datos: Solarbuzz. La tendencia es bastante impresionante). Precisamente desde 2009, el llamado al desarrollo de la "película delgada" se ha vuelto cada vez más fuerte: por un lado, las células de cristal de silicio acaban de experimentar enormes fluctuaciones en los precios del "silicio", lo que ha causado daños a los principales fabricantes; Por otro lado, la tercera empresa solar de Estados Unidos surgió de repente, llevando las baterías de película delgada a un nuevo nivel. En 2010, muchos lugares de China iniciaron proyectos de película delgada. Una vez que comenzó la producción de baterías de película delgada, los problemas quedaron al descubierto.
El primero es el umbral técnico. Después de años de desarrollo, la tecnología del "silicio cristalino" ha entrado en una etapa de madurez. Varias grandes empresas nacionales han dominado la tecnología de las baterías de silicio cristalino y han logrado sus propias innovaciones y avances tecnológicos. Las baterías de película delgada son diferentes y la tecnología aún se está desarrollando y cambiando, especialmente la tecnología de baterías de película delgada sin silicio. Hay muchas dificultades técnicas en materiales y procesos. La mayoría de las empresas nacionales no tienen estándares suficientes y solo se encuentran en la etapa exploratoria, pero tienen que enfrentar la doble presión de First Solar, líder en tecnología de baterías de película delgada, y baterías de silicio cristalino con tecnología madura. Se puede imaginar la dificultad del desarrollo.
En segundo lugar, está la cuestión del umbral de financiación. Las baterías de película delgada requieren una mayor inversión en equipos que las baterías de silicio cristalino, y todo el equipo de apoyo depende de las importaciones. Con el desarrollo continuo de la tecnología de baterías de película delgada, los equipos de producción también se actualizan, lo que fácilmente puede generar un desperdicio de inversión en equipos.
En los últimos años, el precio de los componentes de silicio cristalino ha ido cayendo y se acerca al precio de los componentes de película delgada. La ventaja de precio de los componentes de película delgada ya no es obvia. Sin embargo, el "silicio cristalino" todavía tiene las ventajas de una alta eficiencia de conversión y una larga vida útil en comparación con la "película delgada". De hecho, algunas empresas que originalmente planearon lanzar proyectos de baterías de película delgada ahora están desacelerando sus proyectos (Suntech, Yingli), por lo que las baterías de película delgada tardarán algún tiempo en desarrollarse realmente.
En comparación con las células fotovoltaicas de silicio policristalino, las células fotovoltaicas de silicio monocristalino tienen una alta eficiencia de conversión (monocristalinas 18 ~ 20, policristalinas 16 ~ 18) y un alto costo. Como el control de costos es difícil, es poco probable que gane de manera integral.
6. Generación de energía solar térmica
Además de la generación de energía fotovoltaica, la generación de energía solar térmica también ha alcanzado el nivel de aplicación en ingeniería. El umbral de construcción y operación de la generación de energía solar térmica es muy alto, y la investigación y el desarrollo de los componentes domésticos de generación de energía solar térmica están casi en blanco: espejos curvos, tubos de vacío de alta temperatura, grupos electrógenos orgánicos de ciclo Rankine, grupos electrógenos Stirling, etc. . Además, a diferencia de la generación de energía fotovoltaica, la generación de energía fototérmica también tiene mayores requisitos para el medio ambiente: debe estar expuesta a la luz directa y requiere refrigeración por agua, algo que no se puede cumplir en zonas desérticas. En la actualidad, la generación de energía termosolar de mi país aún se encuentra en la etapa de investigación y demostración. Las centrales eléctricas CSP y convencionales se combinan en centrales eléctricas complementarias, y pocas funcionan de forma independiente y estable (proyectos de demostración: central eléctrica de demostración de 70 kW en el condado de Jiangning, provincia de Jiangsu, central eléctrica experimental de 1 MW en Yanqing, Beijing, en el marco del Plan 863). Debido a obstáculos técnicos, mi país estará en la etapa de demostración experimental dentro de cinco a diez años y la generación de energía fototérmica no se convertirá en la tendencia dominante.
Conclusión
Desde la perspectiva de la madurez tecnológica, la eficiencia de conversión y las fuentes de materiales, en los próximos 5 a 10 años, la tecnología fotovoltaica de película delgada de silicio cristalino (principalmente silicio policristalino) y de silicio amorfo seguirá siendo líder en tecnología de generación de energía solar. Cuota de mercado actual: células de silicio policristalino 52, células de silicio monocristalino 38, células de película fina de silicio amorfo 8, otras células de película fina compuestas 2. Para desarrollar tecnología fotovoltaica de película delgada de silicio amorfo, no es aconsejable expandir ciegamente la escala, sino centrarse en la investigación y el dominio en profundidad de las tecnologías centrales.