Solární baterie

z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Přejít na navigaci Přejít na hledání
Strom solárních panelů v Gleisdorf (Rakousko)

Solární baterie je kombinací fotovoltaických konvertorů ( solárních článků ) - polovodičových zařízení, která přímo přeměňují sluneční energii na stejnosměrný elektrický proud, na rozdíl od solárních kolektorů , které ohřívají teplonosný materiál.

Předmětem výzkumu sluneční energie jsou různá zařízení umožňující přeměnu slunečního záření na tepelnou a elektrickou energii (z řeckého Helios Ήλιος , Helios - Slunce). Výroba fotovoltaických článků a solárních kolektorů se rozvíjí různými směry. Solární panely se dodávají v různých velikostech, od zabudovaných do mikrokalkulátorů až po střešní automobily a budovy.

Solární elektrárna obvykle obsahuje jeden nebo více solárních panelů, střídač a v některých případech baterii a solární sledovač.

Dějiny

V roce 1842 objevil Alexander Edmond Becquerel efekt přeměny světla na elektřinu. Charles Fritts ( Eng. Of Charles Fritts ) začal používat selen k přeměně světla na elektřinu. První prototypy solárních článků vytvořil italský fotochemik Giacomo Luigi Chamichan .

25. dubna 1948 Bell Laboratories oznámily vytvoření prvních solárních článků na bázi křemíku, které generovaly elektrický proud. Tento objev učinili tři zaměstnanci společnosti – Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin a Gerald Pearson. Účinnost jejich solární baterie byla 6 % [1] . Během tiskové konference baterie úspěšně posloužila jako zdroj energie pro hračkové ruské kolo a rádiový vysílač [2] . Již o 10 let později, 17. března 1958, byla ve Spojených státech vypuštěna družice využívající solární baterie – Avangard-1 . 15. května 1958 také SSSR vypustil satelit pomocí solárních baterií - " Sputnik-3 ".

Používání

Přenosná elektronika

Nabíječka

Pro zajištění elektřiny a/nebo dobíjení baterií pro různou spotřební elektroniku - kalkulačky, přehrávače, svítilny atd.

Elektrická auta

Na střeše Prius , 2008

Pro dobíjení elektromobilů .

Letectví

Jedním z projektů na vytvoření letadla, které využívá výhradně energii ze slunce, je Solar Impulse .

Napájení budov

Solární panely na střeše kravína kibucu Gezer ( Izrael )
Solární panel na střeše domu

Velké solární panely, stejně jako solární kolektory, jsou široce používány v tropických a subtropických oblastech s velkým množstvím slunečných dnů. Obzvláště oblíbené ve středomořských zemích, kde se umisťují na střechy domů.

Nové domy ve Španělsku jsou od března 2007 vybaveny solárními ohřívači vody , aby nezávisle zajistily 30 % až 70 % potřeby teplé vody v závislosti na umístění domu a očekávané spotřebě vody. Nebytové budovy (obchodní centra, nemocnice atd.) musí mít fotovoltaické zařízení [3] .

V dnešní době vyvolává přechod na solární panely mezi lidmi mnoho kritiky. Může za to růst cen elektřiny, nepořádek přírodní krajiny. Odpůrci přechodu na solární panely tento krok kritizují, protože majitelé domů a pozemků, které mají solární panely a větrné elektrárny, dostávají dotace od státu, zatímco běžní nájemníci nikoli. Německé spolkové ministerstvo hospodářství v této souvislosti vypracovalo návrh zákona, který umožní v blízké budoucnosti zavést výhody pro nájemníky žijící v domech, které jsou zásobovány energií z fotovoltaických zařízení nebo blokových tepelných elektráren. Spolu s vyplácením dotací vlastníkům domů, které využívají alternativní zdroje energie, je plánováno vyplácení dotací nájemníkům bydlícím v těchto domech. [4]

Napájení osad

Solární větrná elektrárna

Povrch vozovky

Solární panely jako povrch vozovky :

  • V roce 2014 Nizozemsko otevřelo první cyklostezku na solární pohon na světě.
  • V roce 2016 oznámila francouzská ministryně životního prostředí a energetiky Ségolene Royal plány na vybudování 1 000 km silnic se zabudovanými solárními panely odolnými proti nárazům a teplu. Předpokládá se, že 1 km takové silnice bude schopen pokrýt potřebu elektřiny 5 000 lidí (bez vytápění) [5] [ neautorizovaný zdroj? ] .
  • V únoru 2017 otevřela francouzská vláda solární silnici v normanské vesnici Tourouvre-au-Perche. Kilometrový úsek silnice je vybaven 2 880 solárními panely. Tento chodník zajistí elektřinu pro veřejné osvětlení obce. Panely budou každý rok vyrábět 280 megawatthodin elektřiny. Stavba úseku silnice stála 5 milionů eur. [6]
  • Používá se také k napájení autonomních semaforů na silnicích [7]

Použití ve vesmíru

Solární baterie na ISS

Solární baterie jsou jedním z hlavních způsobů získávání elektrické energie na kosmických lodích : fungují dlouhou dobu bez spotřeby materiálů a zároveň jsou na rozdíl od jaderných a radioizotopových zdrojů energie šetrné k životnímu prostředí.

Při letu na velkou vzdálenost od Slunce se však jejich použití stává problematickým, protože tok sluneční energie je nepřímo úměrný druhé mocnině vzdálenosti od Slunce. Na Marsu je výkon solárních panelů poloviční než na Zemi a v blízkosti vzdálených planet obrů sluneční soustavy výkon klesá natolik, že solární panely jsou téměř zcela zbytečné. Při letu k vnitřním planetám Venuši a Merkuru se výkon solárních baterií naopak výrazně zvyšuje: v oblasti Venuše 2krát a v oblasti Merkuru 6krát.

Lékařské použití

Jihokorejští vědci vyvinuli podkožní solární článek. Miniaturní zdroj energie může být implantován pod kůži člověka, aby byl zajištěn hladký provoz zařízení implantovaných do těla, například kardiostimulátoru. Taková baterie je 15x tenčí než vlas a lze ji nabíjet, i když je na kůži aplikován opalovací krém [8] .

Účinnost fotobuněk a modulů

Výkon toku slunečního záření při vstupu do zemské atmosféry (AM0) je asi 1366 wattů [9] na metr čtvereční (viz také AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D [10] [11] ) . Současně může být měrný výkon slunečního záření v Evropě za velmi zataženého počasí i během dne [12] nižší než 100 W / m² [ neuveden zdroj 2170 dní ] . Pomocí běžných průmyslově vyráběných solárních panelů lze tuto energii přeměnit na elektřinu s účinností 9-24 %. [ neuveden zdroj 2170 dní ] . V roce 2020 klesla cena solárních panelů na 0,15 – 0,33 USD/W v závislosti na typu a výkonu panelu [13] . V roce 2019 dosáhly náklady na elektřinu vyrobenou průmyslovými solárními stanicemi 0,068 USD za kWh [14] . V roce 2021 klesla velkoobchodní cena solárních článků na 0,07 – 0,08 USD/W [15] .

Fotobuňky a moduly se dělí podle typu a jsou: monokrystalické, polykrystalické, amorfní (flexibilní, filmové).

V roce 2009 Spectrolab (dceřiná společnost Boeingu) předvedl solární článek s účinností 41,6 % [16] . V lednu 2011 se očekávalo, že solární články této společnosti vstoupí na trh s účinností 39 % [17] . Kalifornská společnost Solar Junction dosáhla v roce 2011 43,5% účinnosti fotobuňky 5,5 × 5,5 mm, což je o 1,2 % více než předchozí rekord [18] .

V roce 2012 vytvořila společnost Morgan Solar systém Sun Simba z polymetylmetakrylátu (plexiskla), germania a arsenidu galia, který kombinuje koncentrátor s panelem, na kterém je instalována fotobuňka. Účinnost systému s pevnou polohou panelu byla 26-30 % (v závislosti na ročním období a úhlu, pod kterým se slunce nachází), dvojnásobek praktické účinnosti fotobuněk na bázi krystalického křemíku [19] .

V roce 2013 Sharp vytvořil třívrstvou fotobuňku 4 × 4 mm na bázi indium-gallium-arsenid s účinností 44,4 % [20] a skupina specialistů z Fraunhoferova institutu pro solární energetické systémy, Soitec, CEA- Leti a Berlínské centrum pojmenované po Helmholtzovi vytvořily fotobuňku využívající Fresnelovy čočky s účinností 44,7 %, čímž překonaly svůj vlastní úspěch o 43,6 % [21]. [ neautorizovaný zdroj? ] . V roce 2014 vytvořil Fraunhoferův institut pro solární energetické systémy solární články, u kterých byla díky zaostření světla na velmi malý fotočlánek čočkou účinnost 46 % [22] [ neautorizovaný zdroj? ] [23] .

V roce 2014 španělští vědci vyvinuli křemíkový fotovoltaický článek schopný přeměnit infračervené záření ze Slunce na elektřinu [24] .

Slibným směrem je vytvoření fotočlánků na bázi nanoantén pracujících na přímé rektifikaci proudů indukovaných v malé anténě (asi 200-300 nm) světlem (tedy elektromagnetickým zářením o frekvenci asi 500 THz). Nanoantény nevyžadují pro výrobu drahé suroviny a mají potenciální účinnost až 85 % [25] [26] .

Také v roce 2018 s objevem flexo-fotovoltaického efektu byla objevena možnost zvýšení účinnosti fotovoltaických článků [27] . Kvůli prodloužení životnosti horkých nosičů (elektronů) stoupla teoretická hranice jejich účinnosti z 34 okamžitě na 66 procent [28] .

V roce 2019 ruští vědci ze Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) , Ústavu anorganické chemie pojmenovaného po I. A.V. Nikolaev ze Sibiřské pobočky Ruské akademie věd (SB RAS) a Ústavu problémů chemické fyziky Ruské akademie věd získaly zásadně nový polovodičový materiál pro solární články, který postrádá většinu nevýhod materiálů používaných v současnosti. [29] . Skupina ruských vědců zveřejnila v Journal of Materials Chemistry A [en] [30] výsledky práce na použití nového polovodičového materiálu, který vyvinuli pro solární články - komplexního polymeru jodidu bismutitého ({[Bi 3 I 10 ] } a {[BiI 4 ]} ), strukturálně podobné minerálu peroxit (přírodní titaničitan vápenatý), který vykazoval rekordní rychlost přeměny světla na elektřinu. [30] [31] Stejná skupina vědců vytvořila druhý podobný polovodič na bázi komplexního bromidu antimonitého se strukturou podobnou peroxitu. [32] [33]

Maximální hodnoty účinnosti fotobuněk a modulů,
dosažené v laboratorních podmínkách [34] [ neautorizovaný zdroj? ]
Typ Koeficient fotoelektrické konverze, %
Křemík 24.7
Si (krystalický)
Si (polykrystalický)
Si (přenos tenkým filmem)
Si (tenký filmový submodul) 10.4
III-V
GaAs (krystalický) 25.1
GaAs (tenký film) 24.5
GaAs (polykrystalický) 18.2
InP (krystalický) 21.9
Tenké vrstvy chalkogenidů
CIGS (fotobuňka) 19.9
CIGS (submodul) 16.6
CdTe (fotobuňka) 16.5
Amorfní / nanokrystalický křemík
Si (amorfní) 9.5
Si (nanokrystalický) 10.1
Fotochemické
Na bázi organických barviv 10.4
Na bázi organických barviv (submodul) 7.9
organické
Organický polymer 5.15
Vícevrstvé
GaInP / GaAs / Ge 32,0
GaInP / GaAs 30.3
GaAs / CIS (tenký film) 25.8
a-Si / mc-Si (tenký submodul) 11.7

Faktory ovlivňující účinnost fotobuněk

Strukturální vlastnosti fotobuněk způsobují pokles výkonu panelů se zvýšením teploty.

Částečné zatemnění panelu způsobí pokles výstupního napětí vlivem ztrát v neosvětleném prvku, který začne působit jako parazitní zátěž. Tuto nevýhodu lze odstranit instalací bypassu na každou fotobuňku panelu. Při zatažené obloze, bez přímého slunečního světla, se panely, které používají čočky ke koncentraci záření, stávají extrémně neúčinnými, protože efekt čočky mizí.

Z výkonu fotovoltaického panelu je vidět, že pro dosažení nejvyšší účinnosti je potřeba správný výběr zátěžového odporu. K tomu nejsou fotovoltaické panely připojeny přímo k zátěži, ale využívají ovladač fotovoltaického systému, který zajišťuje optimální provoz panelů.

Nevýhody solární energie

  • Nutnost využívat velké plochy.
  • Solární elektrárna nefunguje v noci a nepracuje dostatečně efektivně ve večerním šeru, přičemž vrchol spotřeby elektřiny nastává právě ve večerních hodinách.
  • I přes ekologickou čistotu přijímané energie mohou samotné solární články obsahovat toxické látky [35] .

Solární elektrárny jsou kritizovány pro jejich vysoké náklady, stejně jako nízkou stabilitu komplexních halogenidů olova a toxicitu těchto sloučenin. V současné době probíhá aktivní vývoj bezolovnatých polovodičů pro solární články, např. na bázi vizmutu [30] a antimonu.

Vzhledem k jejich nízké účinnosti, která dosahuje v nejlepším případě 20 procent, se solární panely velmi zahřívají. Zbývajících 80 procent energie ze slunečního záření ohřeje solární panely na průměrnou teplotu asi 55 °C. Se zvýšením teploty fotovoltaického článku o 1 ° klesá jeho účinnost o 0,5 %. Aktivní prvky chladicích systémů (ventilátory nebo čerpadla), které čerpají chladivo, spotřebovávají značné množství energie, vyžadují pravidelnou údržbu a snižují spolehlivost celého systému. Pasivní chladicí systémy mají velmi nízký výkon a nedokážou si poradit s úkolem chlazení solárních článků [36] .

Výroba solárních modulů

Velmi často jednotlivé fotobuňky neprodukují dostatek energie. Proto se určitý počet fotovoltaických článků spojí do tzv. fotovoltaických solárních modulů a mezi skleněné desky se namontuje výztuž. Tato montáž může být plně automatizována [37] .

Pět největších výrobců

Největší výrobci fotovoltaických článků (z hlediska celkového výkonu) v roce 2020 [38] .

  1. LONGi
  2. Jinko Solar [ru]
  3. Trina Solar
  4. JA Solar
  5. Canadian Solar

См. также

Примечания

  1. Перлин, Джон. The Silicon Solar Cells Turns 50 (неопр.) . National Renewable Energy Laboratory (NREL) (август 2004).
  2. This Month in Physics History (англ.) . www.aps.org . Дата обращения: 13 марта 2021.
  3. Spain requires new buildings use solar power
  4. Арендаторам домов с солнечными батареями будет выплачиваться дотация , Germania.one .
  5. Франция построит 1000 км дорог с солнечными батареями
  6. Во Франции открыли первую дорогу из солнечных панелей , theUK.one .
  7. Автономный светофор на солнечных батареях - купить в Москве, цена . lumenstar.ru. Дата обращения: 5 ноября 2019.
  8. ТАСС: Наука — Ученые Южной Кореи создали подкожную солнечную батарею
  9. «Solar Spectra: Air Mass Zero»
  10. «Solar Photovoltaic Technologies» (недоступная ссылка) . Дата обращения: 7 февраля 2012. Архивировано 26 мая 2012 года.
  11. «Reference Solar Spectral Irradiance: Air Mass 1.5»
  12. По материалам: www.ecomuseum.kz (недоступная ссылка)
  13. pv magazine. Module Price Index (англ.) . pv magazine International . Дата обращения: 22 февраля 2021.
  14. Renewable Power Generation Costs in 2019 (англ.) . /publications/2020/Jun/Renewable-Power-Costs-in-2019 . Дата обращения: 22 февраля 2021.
  15. 5bb Поликристаллический Перц 156,75 Мм 157 Мм Mcce Высокоэффективный Устойчивый К Пид Сертификат Tuv Полупорезов Поли Цена Солнечные Батареи - Buy 5bb Poly Solar Cell,156 5bb Solar Cell Polycrystalline,Half Cut Solar Cell Polycrystalline Solarcell Right Angle Product on Alibaba.com . russian.alibaba.com . Дата обращения: 23 апреля 2021.
  16. Австралийцы установили новый рекорд КПД солнечных батарей (недоступная ссылка) . Membrana . Membrana (28 августа 2009). Дата обращения: 6 марта 2011. Архивировано 25 июня 2012 года.
  17. На рынок выходят солнечные батареи с рекордным КПД . Membrana . Membrana (25 ноября 2010). Дата обращения: 6 марта 2011.
  18. Solar Junction Breaks Concentrated Solar World Record with 43,5 % Efficiency
  19. Как сконцентрировать солнечный свет без концентраторов
  20. Sharp разработала концентрирующий фотоэлемент с кпд 44,4 % (недоступная ссылка) . Дата обращения: 11 июля 2013. Архивировано 30 марта 2014 года.
  21. Новый рекорд КПД фотоэлемента: 44,7 %
  22. УЧЁНЫЕ ИЗ ИНСТИТУТА СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ ФРАУНГОФЕРА РАЗРАБОТАЛИ СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ С КПД 46 % И ЭТО НОВЫЙ МИРОВОЙ РЕКОРД
  23. New world record for solar cell efficiency at 46 % — Fraunhofer ISE
  24. All-silicon spherical-Mie-resonator photodiode with spectral response in the infrared region
  25. Б. Берланд. Фотоэлементы уходят за горизонт: Оптические ректенны солнечных батарей (англ.) . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США (2003). Дата обращения: 4 апреля 2015.
  26. Краснок А Е, Максимов И С, Денисюк А И, Белов П А, Мирошниченко А Е, Симовский К Р, Кившарь Ю С. Оптические наноантенны // Успехи физических наук . — 2013. — Т. 183 , № 6 . — С. 561–589 . — doi : 10.3367/UFNr.0183.201306a.0561 .
  27. Александр Дубов. Физики выдавили из солнечных батарей дополнительную энергию . nplus1.ru. Дата обращения: 25 апреля 2018.
  28. Александр Дубов. Химики продлили жизнь горячим электронам в перовскитных батареях . nplus1.ru. Дата обращения: 20 июня 2018.
  29. Софья Алимова. Российские ученые разработали новый материал для солнечных батарей . Народные Новости России. Дата обращения: 14 мая 2019.
  30. 1 2 3 Pavel A. Troshin, Vladimir P. Fedin, Maxim N. Sokolov, Keith J. Stevenson, Nadezhda N. Dremova. Polymeric iodobismuthates {[Bi3I10 } and {[BiI4]} with N-heterocyclic cations: promising perovskite-like photoactive materials for electronic devices] (англ.) // Journal of Materials Chemistry A. — 2019-03-12. — Vol. 7 , iss. 11 . — P. 5957–5966 . — ISSN 2050-7496 . — doi : 10.1039/C8TA09204D .
  31. В России разработали новый полупроводник для солнечных батарей. Он не токсичный и очень эффективный! — Хайтек . hightech.fm. Дата обращения: 14 мая 2019.
  32. В России создали новый полупроводниковый материал для солнечных батарей . ТАСС. Дата обращения: 14 мая 2019.
  33. Ученые Сколтеха разработали новые полупроводниковые материалы для электроники . naked-science.ru. Дата обращения: 14 мая 2019.
  34. Максимальные значения КПД фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях (недоступная ссылка) . Nitol Solar Limited. Архивировано 17 июля 2008 года.
  35. Лапаева Ольга Федоровна. Трансформация энергетического сектора экономики при переходе к энергосберегающим технологиям и возобновляемым источникам энергии // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2010. — Вып. 13 (119) .
  36. David Szondy. Stanford researchers develop self-cooling solar cells. (англ.) . gizmag.com (25 July 2014). Дата обращения: 6 июня 2016.
  37. Производство фотоэлектрического солнечного модуля . Дата обращения: 14 августа 2011. Архивировано 25 июня 2012 года.
  38. Thomas Edison. Latest Tier-1 Solar Panels List 2020 (Q1, Q2 update). Solar Review. (англ.) . Solar Review (22 мая 2020). Дата обращения: 20 февраля 2021.

Ссылки