В 21-м веке наверняка произойдут две вещи: Земля станет теплее, а использование солнечных батарей увеличится. Учитывая эти два фактора, возникает вопрос, как глобальное потепление повлияет на производство солнечной энергии в ближайшие десятилетия.
Поскольку фотоэлектрические элементы чувствительны к температуре, их характеристики в основном зависят от местных метеорологических условий, таких как концентрация аэрозоля и содержание воды в атмосфере. Эффективность самой популярной фотоэлектрической технологии, кремния, снижается с ростом температуры и уровня влажности.
Хотя влияние повышения температуры на характеристики солнечного элемента было рассмотрено в нескольких исследованиях, прогноз изменений солнечной инсоляции остается неопределенным. Теперь исследователи из Массачусетского технологического института представили простую проекцию влияния изменения климата на характеристики кремниевых фотоэлектрических элементов во всем мире.
Они использовали сценарий Репрезентативный путь концентрации (RCP) 4.5 для анализа воздействия фотоэлектрических установок. В сценарии прогнозируются выбросы парниковых газов в 2040 году, а также повышение средней глобальной температуры (1,8 Кельвина) к 2100 году.
Выход солнечных батарей падает, поскольку они становятся более горячими
Солнечная панель состоит из нескольких небольших блоков, называемых фотоэлектрическими элементами. Эти клетки работают, позволяя фотонам (от солнечного света) выбивать электроны из атомов, создавая поток электрического тока.
При этом они также создают положительно заряженные «дыры» в материале, которые текут в направлении, противоположном электронам. Эффективность клеток зависит от того, насколько быстро электроны рекомбинируют с дырками. Чем быстрее они рекомбинируют, тем меньше выходной сигнал, поскольку он выводит их из зоны проводимости.
Скорость рекомбинации пропорциональна температуре. Это означает, что когда внешняя среда нагревается, выход солнечной панели уменьшается.
Поскольку температура повсюду на Земле повышается, эффективность солнечных элементов ожидается повсюду. Однако некоторые регионы будут лучше других. По мнению исследователей, наиболее пострадавшими (хуже) регионами являются Центральная Азия, Южная Африка и Юг США.
Расчеты показывают, что в среднем выходная мощность фотоэлемента уменьшается на 0,45 процента при каждом повышении температуры на один градус. Выходная мощность кремниевых фотоэлектрических установок будет снижена почти на 15 кВтч / кВт, при этом в некоторых районах потери будут достигать 50 кВтч / кВт.
Исследователи также создали глобальную карту для отображения степени изменения выработки энергии в любом регионе.
Исследователи отметили, что показатель -0,45% / K является просто представительным значением. Достижения в области материаловедения могут существенно изменить эти цифры в будущем.
Например, материалы с более высокой шириной запрещенной зоны, такие как теллурид кадмия, имеют гораздо меньшее падение выхода энергии. Таким образом, будущие солнечные установки могут быть более устойчивыми к изменениям температуры.
Более того, глобальное потепление — не единственный фактор, который снизит эффективность солнечных элементов. В частности, изменения уровня солнечного излучения и влажности будут влиять на солнечный свет, который достигает панели. Нам нужно будет учесть все эти факторы при планировании экологически чистых систем возобновляемой энергии на будущее.