نوآوری‌های تازه، برق خورشیدی را ارزان‌تر می‌کنند
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، هزینه پنل‌های خورشیدی از دهه ۱۹۷۰ بیش از ۹۹ درصد کاهش یافته است و این امر امکان استفاده گسترده از سیستم‌های فتوولتائیک که نور خورشید را به برق تبدیل می‌کنند، فراهم کرده است. یک مطالعه جدید در دانشگاه MIT به بررسی نوآوری‌های خاصی می‌پردازد که چنین کاهش چشمگیر هزینه‌ها را ممکن ساخته‌اند و نشان می‌دهد که پیشرفت‌های فنی در مجموعه‌ای از تلاش‌های تحقیقاتی و صنایع متنوع، نقش محوری در این امر داشته‌اند. این تحقیق در PLOS ONE منتشر شده است.
این یافته‌ها می‌تواند به شرکت‌های انرژی تجدیدپذیر کمک کند تا تصمیمات سرمایه‌گذاری تحقیق و توسعه مؤثرتری بگیرند و به سیاست‌گذاران در شناسایی حوزه‌های اولویت‌بندی برای تحریک رشد در تولید و استقرار کمک کند.
رویکرد مدل‌سازی محققان نشان می‌دهد که نوآوری‌های کلیدی اغلب از خارج از بخش خورشیدی سرچشمه گرفته‌اند، از جمله پیشرفت در ساخت نیمه‌هادی‌ها، متالورژی، تولید شیشه، حفاری نفت و گاز، فرآیند‌های ساخت و ساز و حتی حوزه‌های حقوقی.
جسیکا ترانسیک، نویسنده ارشد این مطالعه و استاد موسسه داده‌ها، سیستم‌ها و جامعه MIT، می‌گوید: «نتایج ما نشان می‌دهد که فرآیند بهبود هزینه‌ها چقدر پیچیده است و پیشرفت‌های علمی و مهندسی، اغلب در سطح بسیار ابتدایی، چقدر در قلب این کاهش هزینه‌ها نقش دارند. دانش زیادی از حوزه‌ها و صنایع مختلف جمع‌آوری شده است و این شبکه دانش همان چیزی است که باعث بهبود این فناوری‌ها می‌شود.»
ترانسیک در این مقاله به نویسندگان دیگر، گوکسین کاولاک، دانشجوی سابق فارغ‌التحصیل و فوق دکترا IDSS که اکنون دستیار ارشد انرژی در گروه براتل است؛ مگدالنا کلمون، دانشجوی سابق فارغ‌التحصیل و فوق دکترا IDSS که اکنون استادیار دانشگاه جانز هاپکینز است؛ آجینکیا کامات، دانشجوی سابق فوق دکترا در MIT؛ و همچنین بریتانی اسمیت و رابرت مارگولیس از آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر، پیوسته است.
شناسایی نوآوری‌ها
این کار بر اساس مدل‌های ریاضی ساخته شده است که محققان قبلاً توسعه داده بودند و تأثیرات فناوری‌های مهندسی را بر هزینه ماژول‌ها و سیستم‌های فتوولتائیک (PV) بررسی می‌کنند.
در این مطالعه، محققان قصد داشتند عمیق‌تر به پیشرفت‌های علمی که باعث این کاهش هزینه‌ها شده‌اند، بپردازند.
آنها مدل هزینه کمی خود را با یک تحلیل کیفی و دقیق از نوآوری‌هایی که بر هزینه‌های مواد سیستم فتوولتائیک، مراحل تولید و فرآیند‌های استقرار تأثیر می‌گذاشتند، ترکیب کردند.
کاولاک می‌گوید: «مدل هزینه کمی ما، تحلیل کیفی را هدایت کرد و به ما این امکان را داد تا نوآوری‌ها را در حوزه‌هایی که به دلیل کمبود داده‌های کمی، اندازه‌گیری آنها دشوار است، از نزدیک بررسی کنیم.»
محققان با تکیه بر کار‌های قبلی که محرک‌های کلیدی هزینه - مانند تعداد سلول‌های خورشیدی در هر ماژول، راندمان سیم‌کشی و مساحت ویفر سیلیکونی - را شناسایی می‌کردند، یک بررسی ساختارمند از ادبیات موضوع برای نوآوری‌هایی که احتمالاً بر این محرک‌ها تأثیر می‌گذارند، انجام دادند.
در مرحله بعد، آنها این نوآوری‌ها را برای شناسایی الگو‌ها گروه‌بندی کردند و خوشه‌هایی را آشکار کردند که با بهبود مواد یا پیش‌ساختن اجزا برای ساده‌سازی تولید و نصب، هزینه‌ها را کاهش می‌دادند. در نهایت، تیم، ریشه‌های صنعتی و زمان‌بندی هر نوآوری را ردیابی کرد و با متخصصان حوزه مربوطه مشورت کرد تا مهم‌ترین نوآوری‌ها را مشخص کند.
روی هم رفته، آنها ۸۱ نوآوری منحصر‌به‌فرد را شناسایی کردند که از سال ۱۹۷۰ بر هزینه‌های سیستم فتوولتائیک تأثیر گذاشته‌اند، از پیشرفت در شیشه‌های روکش‌دار ضد انعکاس گرفته تا پیاده‌سازی رابط‌های مجوزدهی کاملاً آنلاین.
ترانسیک می‌گوید: «با نوآوری‌ها، همیشه می‌توانید به سطح عمیق‌تری بروید، به چیز‌هایی مانند تکنیک‌های پردازش مواد اولیه، بنابراین دانستن زمان توقف چالش‌برانگیز بود. داشتن آن مدل کمی برای پایه‌گذاری تحلیل کیفی ما واقعاً کمک کرد.»
آنها تصمیم گرفتند هزینه‌های ماژول فتوولتائیک را از هزینه‌های به اصطلاح تعادل سیستم (BOS) جدا کنند، که مواردی مانند سیستم‌های نصب، اینورتر‌ها و سیم‌کشی را پوشش می‌دهد.
ماژول‌های فتوولتائیک (PV) که برای تشکیل پنل‌های خورشیدی به هم سیم‌کشی می‌شوند، به صورت انبوه تولید می‌شوند و می‌توانند صادر شوند، در حالی که بسیاری از اجزای BOS در سطح محلی طراحی، ساخته و فروخته می‌شوند.
کاولاک می‌گوید: «با بررسی نوآوری‌ها چه در سطح BOS و چه در داخل ماژول‌ها، انواع مختلف نوآوری‌هایی را که در این دو بخش از فناوری فتوولتائیک پدیدار شده‌اند، شناسایی می‌کنیم.»
هزینه‌های BOS بیشتر به فناوری‌های نرم، عناصر غیرفیزیکی مانند رویه‌های صدور مجوز، بستگی دارد که در مقایسه با نوآوری‌های سخت‌افزاری، سهم بسیار کمتری در بهبود هزینه‌های گذشته PV داشته‌اند.
ترانسیک می‌گوید: «اغلب، همه چیز به تأخیر‌ها برمی‌گردد. زمان، پول است و اگر در سایت‌های ساخت‌وساز تأخیر داشته باشید و فرآیند‌های غیرقابل‌پیش‌بینی رخ دهد، این بر هزینه‌های تراز سیستم تأثیر می‌گذارد.»
نوآوری‌هایی مانند نرم‌افزار صدور مجوز خودکار، که سیستم‌های منطبق با کد را برای تأیید سریع علامت‌گذاری می‌کند، نویدبخش هستند. اگرچه هنوز در این مطالعه کمی‌سازی نشده است، چارچوب تیم می‌تواند از تجزیه و تحلیل‌های آینده در مورد تأثیر اقتصادی آنها و نوآوری‌های مشابهی که فرآیند‌های استقرار را ساده می‌کنند، پشتیبانی کند.
محققان دریافتند که نوآوری‌های صنایع نیمه‌هادی، الکترونیک، متالورژی و نفت نقش عمده‌ای در کاهش هزینه‌های PV و BOS داشته‌اند، اما هزینه‌های BOS تحت تأثیر نوآوری‌های مهندسی نرم‌افزار و شرکت‌های برق نیز قرار گرفته است.
عوامل غیرنوآوری، مانند افزایش بهره‌وری از خرید عمده و انباشت دانش در صنعت انرژی خورشیدی، برخی از متغیر‌های هزینه را نیز کاهش دادند.
علاوه بر این، در حالی که بیشتر نوآوری‌های پنل‌های فتوولتائیک از سازمان‌های تحقیقاتی یا صنایع سرچشمه گرفته‌اند، بسیاری از نوآوری‌های BOS توسط دولت‌های شهری، ایالت‌های ایالات متحده یا انجمن‌های حرفه‌ای توسعه یافته‌اند.
ترانسیک می‌گوید: «می‌دانستم که اتفاقات زیادی با این فناوری در حال رخ دادن است، اما تنوع همه این زمینه‌ها و میزان ارتباط نزدیک آنها، و این واقعیت که می‌توانیم به وضوح آن شبکه را از طریق این تجزیه و تحلیل ببینیم، جالب بود.»
کلمون اضافه می‌کند: «به لطف زمان‌بندی مناسب، سازگاری فیزیکی و سیاست‌های حمایتی برای تطبیق نوآوری‌ها با کاربرد‌های فتوولتائیک، صنعت فتوولتائیک در موقعیت بسیار خوبی برای جذب نوآوری‌ها از صنایع دیگر قرار داشت.»
این تحلیل همچنین نقشی را که قدرت محاسباتی بیشتر می‌تواند در کاهش هزینه‌های BOS از طریق پیشرفت‌هایی مانند سیستم‌های بررسی مهندسی خودکار و نرم‌افزار ارزیابی سایت از راه دور ایفا کند، آشکار می‌کند.
کلمون با اشاره به نقش رو به گسترش رباتیک و ابزار‌های دیجیتال مبتنی بر هوش مصنوعی در کاهش هزینه‌ها و بهبود کیفیت در آینده می‌گوید: «از نظر سرریز دانش، آنچه تاکنون در PV دیده‌ایم، ممکن است فقط آغاز راه باشد.»
محققان علاوه بر تحلیل کیفی خود، نشان دادند که چگونه می‌توان از این روش برای تخمین تأثیر کمی یک نوآوری خاص استفاده کرد، اگر داده‌های عددی برای وارد کردن به معادله هزینه وجود داشته باشد.
برای مثال، با استفاده از اطلاعات مربوط به قیمت مواد و رویه‌های تولید، آنها تخمین می‌زنند که اره‌کاری سیم، تکنیکی که در دهه ۱۹۸۰ معرفی شد، با کاهش تلفات سیلیکون و افزایش توان عملیاتی در طول ساخت، منجر به کاهش ۵ دلار در هر وات هزینه کلی سیستم فتوولتائیک شده است.
ترانسیک می‌گوید: «از طریق این تحلیل گذشته‌نگر، شما چیز‌های ارزشمندی برای استراتژی آینده یاد می‌گیرید، زیرا می‌توانید ببینید چه چیزی کارساز بوده و چه چیزی کارساز نبوده است، و این مدل‌ها همچنین می‌توانند به صورت آینده‌نگر به کار گرفته شوند. همچنین مفید است بدانید که کدام بخش‌های مجاور ممکن است به پشتیبانی از بهبود در یک فناوری خاص کمک کنند.»
محققان قصد دارند در ادامه این روش را در طیف وسیعی از فناوری‌ها، از جمله سایر سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر، به کار گیرند. آنها همچنین می‌خواهند فناوری نرم را بیشتر مطالعه کنند تا نوآوری‌ها یا فرآیند‌هایی را شناسایی کنند که می‌توانند کاهش هزینه‌ها را تسریع کنند.
ترانسیک می‌گوید: «اگرچه فرآیند نوآوری فناوری ممکن است مانند یک جعبه سیاه به نظر برسد، ما نشان داده‌ایم که می‌توانید آن را درست مانند هر پدیده دیگری مطالعه کنید.»