Климатическое изменение угрожает эффективности солнечных панелей: исследование MIT раскрывает влияние

Выход фотоэлектрических элементов падает на 0,45% на каждый градус повышения температуры

Исследователи MIT представлены простой проекцией влияния изменения климата на производительность кремневых фотоэлектрических элементов. В среднем выход фотоэлектрического элемента уменьшается на 0,45 процента на каждый градус повышения температуры.

В 21 веке точно произойдут две вещи: Земля станет теплее, а развертывание солнечных панелей 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 производительность в первую очередь основана на местных метеорологических условиях, таких как концентрация аэрозолей и содержание воды в атмосфере. Производительность самой популярной фотоэлектрической технологии, кремния, снижается с повышением температуры и уровня влажности.

Хотя влияние повышения температуры на производительность солнечных элементов рассматривалось в нескольких исследованиях, проекция изменений в солнечной инсоляции оставалась неопределенной. Теперь исследователи MIT представили простую проекцию влияния изменения климата на производительность кремневых фотоэлектрических элементов по всему миру.

Они использовали сценарий Representative Concentration Pathway (RCP) 4.5 для анализа влияния фотоэлектрических установок. Сценарий прогнозирует пик выбросов парниковых газов в 2040 году и повышение средней глобальной температуры (1,8 Кельвина) к 2100 году.

Выход солнечных элементов падает при нагреве

Солнечная панель состоит из множества меньших единиц, называемых фотоэлектрическими элементами. Эти элементы работают, позволяя фотонам (от солнечного света) выбивать электроны из атомов, создавая поток электрического тока.

Делая это, они также создают положительно заряженные «дырки» в материале, которые текут в направлении, противоположном электронам. Эффективность элементов зависит от того, как быстро электроны рекомбинируют с дырками. Чем быстрее они рекомбинируют, тем меньше выход, потому что это выводит их из зоны проводимости.

Скорость рекомбинации пропорциональна температуре. Это означает, что по мере прогрева внешней среды выход солнечной панели уменьшается.

Поскольку температуры повышаются почти везде на Земле, эффективность солнечных элементов ожидается везде. Однако некоторые регионы будут лучше других. Согласно исследователям, наиболее затронутые (худшие) регионы — Центральная Азия, Южная Африка и южные Штаты.

Источник: arXiv:1908.00622

Расчеты показывают, что в среднем выход фотоэлектрического элемента уменьшается на 0,45 процента на каждый градус повышения температуры. Энергетический выход кремневых фотоэлектрических установок снизится почти на 15 кВт·ч/кВт, причем некоторые районы будут испытывать потери до 50 кВт·ч/кВт.

Исследователи также создали глобальную карту для отображения масштаба изменения энергетического выхода в любом регионе.

Оцененное глобальное изменение энергетического выхода для кремневых фотоэлектрических установок в 21 веке

Это просто представительная цифра

Исследователи отметили, что отметка -0,45%/K — это просто представительное значение. Прогресс в материаловедении может существенно изменить эти цифры в будущем.

Например, материалы с более широкой запрещенной зоной, такие как теллурид кадмия, имеют гораздо более низкое падение энергетического выхода. Таким образом, будущие солнечные установки могут быть более устойчивы к температурным изменениям.

Кроме того, глобальное потепление не единственный фактор, снижающий эффективность солнечных элементов. Вариации инсоляции и уровня влажности, в частности, будут влиять на солнечный свет, достигающий панели. Нам нужно будет учитывать все эти факторы при планировании зеленых, возобновляемых энергетических систем для будущего.