什麼是可再生能源世界的烹飪

什麼是可再生能源世界的烹飪由於美國製造商First Solar最近的效率創新,降低成本的薄膜太陽能光伏技術可能正在經歷復興。 照片由First Solar,Inc。提供

在位於馬薩諸塞州貝德福德的一棟龐大的單層辦公大樓內,在一個名為增長大廳的秘密房間內,太陽能的未來發電量超過2,500°F。 在閉門造車和低迷百葉窗之後,定制的烤箱具有雄心勃勃的名字,如“Fearless”和“Intrepid”,正在幫助完善製造矽晶片的新技術,矽晶片是當今太陽能電池板的主力。 如果一切順利,新方法可以在未來幾年內將太陽能發電成本降低超過20%。

“這種不起眼的晶圓將使太陽能像煤一樣便宜,並將徹底改變我們消耗能源的方式,”Frank van Mierlo說道。 1366 Technologies,這是新晶圓製造方法背後的公司.

秘密房間與否,這些都是可再生能源世界的激動人心的時刻。 由於技術進步和十年來的產量增加,電網平價 - 太陽能和風能等可再生能源的成本與燃燒化石燃料產生的電力成本相同 - 正在迅速逼近。 在某些情況下,它已經實現了,並且等待的額外創新有望帶來更低的成本,為可再生能源開創了一個全新的時代。

太陽驚喜

1月2015,沙特阿拉伯公司 ACWA Power 當它贏得在迪拜建造200兆瓦級太陽能發電廠以便能夠為其生產電力時,行業分析師感到驚訝 每千瓦時6美分。 價格低於天然氣或燃煤發電廠的電力成本,這是太陽能裝置的第一次。 根據美國能源信息署的數據,新天然氣和燃煤電廠的電費分別為每千瓦時6.4美分和9.6美分。

技術進步,包括可以將更高百分比的太陽光轉化為能量的光伏技術,使太陽能電池板更加高效。 與此同時,規模經濟降低了成本。

對於大多數早期的2000,太陽能電池板或模塊的價格徘徊在每瓦特4左右。 當時世界領先的光伏研究人員之一Martin Green計算了每個元件的成本,包括用於製造矽晶片的多晶矽錠,模塊外部的保護玻璃以及模塊接線中使用的銀。 格林聲稱,只要我們依靠晶體矽製造太陽能,價格就不會低於1 /瓦。

“這裡的效率提高了十分之一,並且降低了成本,這使得太陽能非常具有競爭力。” - Mark Ba​​rineau未來,Green和該領域幾乎所有其他人都認為,薄膜,太陽能組件這依賴於矽以外的材料,需要一小部分原材料。


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然後,從2007到2014,晶體矽模塊的價格 從每瓦特$ 4降至每瓦特0.50美元,幾乎結束了薄膜的發展。

太陽能分析師馬克巴尼奧(Mark Ba​​rineau)表示,成本大幅下降來自於大量增量收益 勒克斯研究。 因素包括製造多晶矽的新的低成本工藝; 更薄的矽片; 模塊正面較細的電線,可以阻擋太陽光,減少銀的使用; 更便宜的塑料而不是玻璃; 以及更高的製造自動化。

“這裡有十分之一的效率提升,並且那裡的成本降低使得太陽能非常具有競爭力,”Barineau說。

25每瓦特分數

“低於$ 1 [每瓦特]已超出我的預期,”格林說。 “但現在,我認為它可以變得更低。”

1366的新晶圓製造方法有一個可能的候選者。 今天的太陽能電池板背後的矽晶片是從多晶矽的大錠中切割下來的。 該過程效率極低,將初始鑄錠的一半轉化為鋸末。 1366採用不同的方法,在專門製造的烤箱中熔化矽並將其重鑄成薄晶圓,每個晶圓的成本不到一半,或者晶體矽模塊的總成本降低20%。 根據van Mierlo的說法,1366希望在2016開始大規模生產。

與此同時,曾經被認為是太陽能未來的薄膜,然後被低成本的晶體矽粉碎,可能會經歷復興。 迪拜近期創紀錄的低成本太陽能發電項目利用美國製造商生產的薄膜碲化鎘太陽能電池組件 First Solar。 該公司不僅在絕大多數薄膜公司中佔據優勢,而且通過提高太陽能電池的效率,同時擴大生產,始終如一地生產出一些最便宜的模塊。 該公司現在表示可以生產太陽能電池組件 低於每瓦特40美分 預計未來幾年將進一步降價。

格林說,十年後,我們可以很容易地看到太陽能組件的成本降至每瓦25美分,大約是目前成本的一半。 為了降低成本,太陽能轉化為電能的轉換效率必須大幅提高。 為了實現這一目標,其他半導體材料必須堆疊在現有太陽能電池之上,以將更廣泛的太陽光轉換為電能。

格林說:“如果你能在矽片上堆疊一些東西,那將是無與倫比的。”

格林及其同事在22.9中創造了晶體矽太陽能電池組件效率的記錄,其1996百分比至今仍保持不變。 格林懷疑晶體矽的效率會越來越高。 然而,隨著細胞堆疊,他說“天空是極限”。

一個大小的問題

雖然太陽能剛剛開始達到電網平價,但風能已經存在。 在2014中,陸上風能的全球平均價格與天然氣發電量相同, 據彭博新能源財經報導.

與太陽能一樣,信貸將用於技術進步和產量增加。 然而,對於風能而言,創新主要是規模問題。 從1981到2015,風力渦輪機轉子葉片的平均長度 增加了六倍多從9米到60米,作為風能的成本 下降了10因子.

“增加轉子尺寸意味著你可以捕獲更多的能量,而這是降低風能成本的最重要的驅動因素,”D。Todd Griffith說道。 桑迪亞國家實驗室 在新墨西哥州的阿爾伯克基。

格里菲斯最近負責監督Sandia的幾個100米長的原型葉片的構造和測試。 當項目在2009開始時,商業運營中最大的刀片長度為60米。 格里菲斯和他的同事希望看到他們在設計和材料限制遇到問題之前能夠在多大程度上推動刀片不斷增加的趨勢。

“我完全希望看到100儀表的刀片及其他。” - D。Todd Griffith他們的第一個原型是全玻璃纖維刀片,使用的設計和材料與當時相對較小的商用刀片中的設計和材料相似。 結果是一個非常重的126-ton刀片,它很薄很長,在強風和重力應變下容易受到振動。

該集團製造了兩個後續原型,採用更堅固,更輕的碳纖維和刀片形狀,平坦而不是鋒利的邊緣。 得到的100-meter刀片比其初始原型輕60%

自從該項目開始於2009以來,商用海上風力渦輪機中使用的最大葉片已經從60米增長到大約80米,目前正在開發更大的商業原型。 “我完全希望看到100儀表刀片以及更多,”格里菲斯說。

隨著葉片長得越長,升高它們的塔越來越高,以便捕獲更一致,更高速的風。 隨著塔越來越高,運輸成本越來越高。 以抵消增加的成本 GE 最近推出了一個“空間框架”塔,一個用織物包裹的鋼格塔。 與同等高度的傳統管塔相比,新塔使用的鋼材大約比30少一些,並且可以完全以標準尺寸的運輸容器交付,用於現場組裝。 該公司最近從美國能源部獲得了3.7百萬美元的資助,用於開發類似的空間框架葉片。

離岸創新

然而,與晶體矽太陽能電池板一樣,現有的風能技術最終會遇到材料限制。 風的另一項創新與位置相關。 風電場正在向海外移動,以追求更大的風力資源和更少的土地使用衝突。 他們離海越遠,水越深,使目前將渦輪機固定到海底的方法過於昂貴。 如果行業轉向浮動支撐結構,那麼今天的重型風力渦輪機設計可能會過於笨重。

一種可能的解決方案是垂直軸渦輪機,其中主轉子軸垂直設置,如旋轉式圓形,而不是像傳統風力渦輪機那樣水平。 用於這種渦輪機的發電機可以放置在海平面上,從而使裝置具有低得多的重心。

“很有可能其他類型的渦輪機技術,非常好的垂直軸,將是深水中最具成本效益的,”格里菲斯說。

過去十年在太陽能和風能技術方面取得了顯著的創新,提高了效率和成本,在某些情況下超出了最樂觀的期望。 未來十年將帶來什麼仍不清楚,但如果歷史可以作為指導,可再生能源的未來看起來非常積極。

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關於作者

麥肯納菲爾Phil McKenna是一位自由撰稿人,對迷人的個人和有趣的想法的融合感興趣。 他主要撰寫有關能源和環境的文章,重點關注新聞背後的個人。 他的作品出現在 紐約時報,史密森,有線,奧杜邦,新的科學家,技術審查, MATTER和NOVA,他是一名特約編輯。

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