Солнечная батарея

Поделись знанием:
Это текущая версия страницы, сохранённая 109.188.126.30 (обсуждение) в 09:04, 31 октября 2016. Вы просматриваете постоянную ссылку на эту версию.

(разн.) ← Предыдущая | Текущая версия (разн.) | Следующая → (разн.)
Перейти к: навигация, поиск
Не следует путать с солнечным коллектором.

Солнечная батарея — несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.

Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Ήλιος, Helios — Солнце). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.

История

Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фотохимиком армянского происхождения Джакомо Луиджи Чамичаном.

25 апреля 1954 года, специалисты компании Bell Laboratories заявили о создании первых солнечных батарей на основе кремния для получения электрического тока. Это открытие было произведено тремя сотрудниками компании — Кельвином Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller), Дэрилом Чапин (Daryl Chapin) и Геральдом Пирсоном (Gerald Pearson). Уже через 4 года, 17 марта 1958 года, в США был запущен спутник с использованием солнечных батарей — Vanguard 1. 15 мая 1958 года в СССР также был запущен спутник с использованием солнечных батарей — Спутник-3.

Использование

Портативная электроника

Для обеспечения электричеством и/или подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники — калькуляторов, плееров, фонариков и т. п.

Электромобили

Для подзарядки электромобилей.

Авиация

Одним из проектов по созданию самолета, использующего исключительно энергию солнца, является Solar Impulse.

Энергообеспечение зданий

Солнечные батареи крупного размера, как и солнечные коллекторы, широко используются в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крышах домов.

Новые дома Испании с марта 2007 года оборудованы солнечными водонагревателями, чтобы самостоятельно обеспечивать от 30 % до 70 % потребностей в горячей воде, в зависимости от места расположения дома и ожидаемого потребления воды. Нежилые здания (торговые центры, госпитали и т. д.) должны иметь фотоэлектрическое оборудование[1].

Энергообеспечение населённых пунктов

 Этот раздел статьи ещё не написан.
Согласно замыслу одного из участников Википедии, на этом месте должен располагаться специальный раздел.
Вы можете помочь проекту, написав этот раздел.

Дорожное покрытие

В 2014 году в Нидерландах открылась первая в мире велодорожка из солнечных батарей.

В 2016 году министр экологии и энергетики Франции Сеголян Руаяль заявила о планах построить 1000 км автодорог со встроенными ударо- и термостойкими солнечными панелями. Предполагается что 1 км такой дороги сможет обеспечивать электроэнергетические потребности 5000 людей (без учета отопления)[2][неавторитетный источник? 2883 дня] .

Использование в космосе

Солнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.

Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой Марса) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к Венере и Меркурию, напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз).

Использование в медицине

Южнокорейские ученые разработали подкожную солнечную батарею. Миниатюрный источник энергии может быть вживлен под кожу человека с целью бесперебойного обеспечения работы приборов, имплантированных в тело, например, кардиостимулятора. Такая батарея в 15 раз тоньше волоса и может заряжаться, если даже на кожу наносится солнцезащитное средство[3].

Эффективность фотоэлементов и модулей

Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли (AM0), составляет около 1366 ватт[4] на квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D[5][6]). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может[7] быть менее 100 Вт/м²К:Википедия:Статьи без источников (тип: не указан)[источник не указан 3136 дней]. С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9—24 %К:Википедия:Статьи без источников (тип: не указан)[источник не указан 3136 дней]. При этом цена батареи составит около 1—3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях[8][неавторитетный источник? 2883 дня].

В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %[9]. В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с эффективностью 39 %[10]. В 2011 году калифорнийская компания Solar Junction добилась КПД фотоэлемента размером 5,5×5,5 мм в 43,5 %, что на 1,2 % превысило предыдущий рекорд[11].

В 2012 году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba из полиметилметакрилата (оргстекла), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД системы при неподвижном положении панели составил 26—30 % (в зависимости от времени года и угла, под которым находится Солнце), в два раза превысив практический КПД фотоэлементов на основе кристаллического кремния[12].

В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4×4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 %[13], а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Soitec, CEA-Leti и Берлинского центра имени Гельмгольца создали фотоэлемент, использующий линзы Френеля с КПД 44,7 %, превзойдя своё собственное достижение в 43,6 % [14][неавторитетный источник? 2883 дня]. В 2014 году Институт солнечных энергосистем Фраунгофер создали солнечные батареи, в которых благодаря фокусировке линзой света на очень маленьком фотоэлементе КПД составил 46 %[15][неавторитетный источник? 2883 дня][16].

В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца[17].

Перспективным направлением является создание фотоэлементов на основе наноантенн, работающих на непосредственном выпрямлении токов, наводимых в антенне малых размеров (порядка 200—300 нм) светом (то есть электромагнитным излучением частоты порядка 500 ТГц). Наноантенны не требуют дорогого сырья для производства и имеют потенциальный КПД до 85 %[18][19].

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей,
достигнутые в лабораторных условиях[20][неавторитетный источник? 2883 дня]
Тип Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
Кремниевые
Si (кристаллический) 24,7
Si (поликристаллический) 20,3
Si (тонкопленочная передача) 16,6
Si (тонкопленочный субмодуль) 10,4
III-V
GaAs (кристаллический) 25,1
GaAs (тонкопленочный) 24,5
GaAs (поликристаллический) 18,2
InP (кристаллический) 21,9
Тонкие пленки халькогенидов
CIGS (фотоэлемент) 19,9
CIGS (субмодуль) 16,6
CdTe (фотоэлемент) 16,5
Аморфный/Нанокристаллический кремний
Si (аморфный) 9,5
Si (нанокристаллический) 10,1
Фотохимические
На базе органических красителей 10,4
На базе органических красителей (субмодуль) 7,9
Органические
Органический полимер 5,15
Многослойные
GaInP/GaAs/Ge 32,0
GaInP/GaAs 30,3
GaAs/CIS (тонкопленочный) 25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль) 11,7

Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов

Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры.

Частичное затемнение панели вызывает падение выходного напряжения за счёт потерь в неосвещённом элементе, который начинает выступать в роли паразитной нагрузки. От данного недостатка можно избавиться путём установки байпаса на каждый фотоэлемент панели.В облачную погоду при отсутствии прямых солнечных лучей крайне неэффективными становятся панели, в которых используются линзы для концентрирования излучения, так как исчезает эффект линзы.

Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используют контроллер управления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей.

Недостатки солнечной электроэнергетики

  • Необходимость использования больших площадей;
  • Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в вечерних сумерках, в то время как пик электропотребления приходится именно на вечерние часы;
  • Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д.[21]

Cолнечные электростанции подвергаются критике из-за высоких издержек.

Из-за своей низкой эффективности, которая в лучшем случае достигает 20 процентов, солнечные батареи сильно нагреваются. Остальные 80 процентов энергии солнечного света нагревают солнечные батареи до средней температуры порядка 55 °C. С увеличением температуры фотогальванического элемента на 1°, его эффективность падает на 0,5 %. Эта зависимость не линейна и повышение температуры элемента на 10° приводит к снижению эффективности почти в два раза. Активные элементы систем охлаждения (вентиляторы или насосы) перекачивающие хладагент, потребляют значительное количество энергии, требуют периодического обслуживания и снижают надёжность всей системы. Пассивные системы охлаждения обладают очень низкой производительностью и не могут справиться с задачей охлаждения солнечных батарей[22].

Производство

Очень часто одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности. Поэтому определенное количество фотоэлементов соединяется в так называемые фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. Эта сборка может быть полностью автоматизирована[23][неавторитетный источник? 2883 дня].

Пятерка крупнейших производителей

Крупнейшие производители фотоэлектрических элементов (по суммарной мощности) в 2016 году.[24]

  1. Jinko Solar
  2. Trina Solar
  3. Hanwha QCELLS
  4. Canadian Solar
  5. JA Solar

См. также

В Викисловаре есть статья «солнечная батарея»

Примечания

  1. ↑ [msnbc.msn.com/id/15698812/ Spain requires new buildings use solar power]
  2. ↑ [korrespondent.net/lifestyle/motors/3623215-frantsyia-postroyt-1000-km-doroh-s-solnechnymy-batareiamy Франция построит 1000 км дорог с солнечными батареями]
  3. ↑ [tass.ru/nauka/3287698 ТАСС: Наука — Ученые Южной Кореи создали подкожную солнечную батарею]
  4. ↑ [rredc.nrel.gov/solar/spectra/am0/ «Solar Spectra: Air Mass Zero»]
  5. ↑ [www.ese.iitb.ac.in/~chetan/Lecture-22%20SPT-DEC.pdf «Solar Photovoltaic Technologies»]
  6. ↑ [rredc.nrel.gov/solar/spectra/am1.5/ «Reference Solar Spectral Irradiance: Air Mass 1.5»]
  7. ↑ [www.1kz.biz/battery/artiklsos1.htm По материалам: www.ecomuseum.kz]
  8. ↑ [www.nitolsolar.com/rucompetitiveness/ «Конкурентоспособность энергетики»] // Photon Consulting
  9. ↑ [www.membrana.ru/lenta/?9574 Австралийцы установили новый рекорд КПД солнечных батарей] (рус.). Membrana. Membrana (28 августа 2009). Проверено 6 марта 2011. [www.webcitation.org/68gjUr7rf Архивировано из первоисточника 25 июня 2012].
  10. ↑ [www.membrana.ru/particle/4588 На рынок выходят солнечные батареи с рекордным КПД] (рус.). Membrana. Membrana (25 ноября 2010). Проверено 6 марта 2011. [www.webcitation.org/68gjWSSCI Архивировано из первоисточника 25 июня 2012].
  11. ↑ [cleantechnica.com/2011/04/19/solar-junction-breaks-concentrated-solar-world-record-with-43-5-efficiency/ Solar Junction Breaks Concentrated Solar World Record with 43,5 % Efficiency]
  12. ↑ [www.nanonewsnet.ru/news/2012/kak-skontsentrirovat-solnechnyi-svet-bez-kontsentratorov Как сконцентрировать солнечный свет без концентраторов]
  13. ↑ [www.tycoon.by/page/sharp-razrabotala-koncentriruyuschii-fotoelement-s-kpd-444 Sharp разработала концентрирующий фотоэлемент с кпд 44,4 %]
  14. ↑ [sun-shines.ru/news/608-record-44 Новый рекорд КПД фотоэлемента: 44,7 %]
  15. ↑ [nov-news.ru/tehnology/uchyonyie-iz-instituta-solnechnyih-energosistem-fraungofera-razrabotali-solnechnyie-batarei-s-kpd-46-i-eto-novyiy-mirovoy-rekord.html УЧЁНЫЕ ИЗ ИНСТИТУТА СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ ФРАУНГОФЕРА РАЗРАБОТАЛИ СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ С КПД 46 % И ЭТО НОВЫЙ МИРОВОЙ РЕКОРД]
  16. ↑ [www.ise.fraunhofer.de/en/press-and-media/press-releases/press-releases-2014/new-world-record-for-solar-cell-efficiency-at-46-percent New world record for solar cell efficiency at 46 % — Fraunhofer ISE]
  17. ↑ [www.nature.com/ncomms/2014/140310/ncomms4440/full/ncomms4440.html All-silicon spherical-Mie-resonator photodiode with spectral response in the infrared region]
  18. ↑ Б. Берланд. [www.nrel.gov/docs/fy03osti/33263.pdf Фотоэлементы уходят за горизонт: Оптические ректенны солнечных батарей] (англ.). Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США (2003). Проверено 4 апреля 2015.
  19. ↑ Краснок А Е, Максимов И С, Денисюк А И, Белов П А, Мирошниченко А Е, Симовский К Р, Кившарь Ю С [ufn.ru/ru/articles/2013/6/a/ Оптические наноантенны] // Успехи физических наук. — 2013. — Т. 183, № 6. — С. 561–589. — DOI:10.3367/UFNr.0183.201306a.0561.
  20. ↑ [www.nitolsolar.com/rutechnologies/ Максимальные значения КПД фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях](недоступная ссылка — история). Nitol Solar Limited. [web.archive.org/web/20080717012635/www.nitolsolar.com/rutechnologies/ Архивировано из первоисточника 17 июля 2008].
  21. ↑ Лапаева Ольга Федоровна [cyberleninka.ru/article/n/transformatsiya-energeticheskogo-sektora-ekonomiki-pri-perehode-k-energosberegayuschim-tehnologiyam-i-vozobnovlyaemym-istochnikam Трансформация энергетического сектора экономики при переходе к энергосберегающим технологиям и возобновляемым источникам энергии] (рус.) // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2010. — Вып. 13 (119).
  22. ↑ David Szondy. [www.gizmag.com/self-cooling-solar-cells/33061/ Stanford researchers develop self-cooling solar cells.] (англ.). gizmag.com (25 July 2014). Проверено 6 июня 2016.
  23. ↑ [www.crystec.com/jwapvmz.htm Производство фотоэлектрического солнечного модуля]. [www.webcitation.org/68gjYoAWI Архивировано из первоисточника 25 июня 2012].
  24. ↑ Bloomberg New Energy Finance Tier 1 module maker list, Q2 2016

Ссылки

  • [ukrelektrik.com/publ/kak_sdelat_solnechnye_batarei_svoimi_rukami/1-1-0-1080 Как сделать солнечные батареи своими руками]
  • [termoframe.ru/otzyvy-o-solnechnyx-batareyax-dlya-doma.html Отопление дома солнечными батареями — отзывы пользователей]
  • [solarb.ru/ Информационный портал про солнечные батареи]
  • [www.vissim.com/solutions/solar_power_inverter.html Модели фотоэлектрический инвертор] описание (на английском языке) VisSim исходный код диаграмма (англ.)
  • [www.pveducation.org/pvcdrom Процесс производства фотоэлектрических преобразователей на основе кремния] (англ.)
  • [www.nashagazeta.ch/news/nauka/18480 Белые солнечные панели — небольшая «революция» в солнечной энергетике, 30.10.2014, NashaGazeta.ch]


<imagemap>: неверное или отсутствующее изображение

 Для улучшения этой статьи желательно?:


Источник — «http://wiki-org.ru/wiki/index.php?title=Солнечная_батарея&oldid=81620049»