Солнечная батарея википедия: Полимерные солнечные батареи — Википедия – Солнечная генерация — Википедия

Содержание

Полимерные солнечные батареи — Википедия

Полимерные солнечные батареи — разновидность солнечных батарей, которые производят электричество из солнечного света. Берёт своё начало с 1992 года, когда впервые были опубликованы данные о переносе заряда с полупроводникового полимера на акцептор.[1] Относительно новая технология, активно исследуемая в университетах, национальных лабораториях и нескольких компаниях по всему миру. Демонстрируются устройства-прототипы с эффективностью конверсии энергии 17,4 %.[2]

Функциональный прототип производства Beletric OPV

Устройство полимерной солнечной батареи[править | править код]

Полимерные солнечные батареи обычно представляют собой послойно наложенные друг на друга тонкие плёнки из полимерных материалов, выполняющие различные функции.[3] В зависимости от субстрата, толщина одной батареи может быть от 500 нанометров.[4] Так, на прозрачную полимерную основу (субстрат), покрытую проводящим слоем оксида индия-олова, служащую электродом, наносят фотоактивный слой, состоящий из электрон-акцептора и электрон-донора.

[5]

Есть два типа фотоактивных слоев:

Поверх фотоактивного слоя располагается металлический электрод, кальциевый, алюминиевый или серебряный, в зависимости от архитектуры батареи. В современных образцах между фотоактивных слоем и электродами помещают дополнительные слои: электрон-проводящие или дырко-проводящие, или соответственно электрон-блокирующие и дырко-блокирующие. Расположение этих слоев относительно фотоактивного слоя определяется архитектурой батареи.[8]

Архитектура батареи бывает двух типов: прямая (стандартная) или обратная (перевернутая). В перевернутой, как следует из названия, электрические заряды экстрагируются противоположными электродами. Так, исследования показали, что у батарей стандартной архитектуры эффективность выше, чем у перевернутых, однако стабильность ниже.

Полимерная солнечная батарея стандартной архитектуры

Низкая стабильность обусловлена тем фактом, что в стандартных батареях в качестве электрода используется кальций, который быстро окисляется на воздухе до кальция оксида, который имеет худшую проводимость. В свою очередь, обратная архитектура позволяет использовать в качестве электродов серебро и золото, более устойчивые к окислению.[9]

Для улучшения экстракции электронов в перевернутых батареях часто используют прозрачные проводящие оксиды, такие как титана оксид и цинка оксид, часто в виде наночастиц или наноструктурированных плёнок. В последнее время больше внимания уделяется исследованиям других слоев, способных улучшать экстракцию электронов, в том числе полимерных.

Для улучшения экстракции дырок применяются прозрачные проводящие полимеры, например смесь поли(3,4-этилендиокситиофена) и полистиролсульфоната (PEDOT:PSS) или другие проводящие оксиды с более подходящими для этого электронными уровнями, такие как ванадия оксид, молибдена оксид. В последнее время все больший интерес вызывают полупроводники на основе графена и графена оксида.

Физические процессы в полимерных батареях[править | править код]

Поглощение света[править | править код]

В полимерных солнечных батареях фотоактивный слой состоит из двух типов материалов: донора и акцептора. При попадании света на поверхность батареи, донор (обычно сопряжённый полимер) поглощает фотон света. Длина волны (т.е. энергия) этого фотона зависит напрямую от химической структуры донора и его организации в плёнке слоя (например, кристалличности). Поглощённая энергия фотона возбуждает электрон из основного состояния в возбуждённое состояние, или из верхней занятой молекулярной орбитали (англ. HOMO) до низшей свободной молекулярной орбитали (англ. LUMO).

[10]

Экситон[править | править код]

Полученная в результате такого возбуждения квазичастица называется экситон Френкеля и состоит из дырки (то есть отсутствия электрона, положительного заряда) и возбуждённого электрона (отрицательного заряда).[11] Экситон не имеет заряда и не может служить носителем, однако может перемещаться по сопряжённой системе донора. В зависимости от спинового состояния экситоны могут быть синглетными и триплетными. Срок жизни синглетного экситона составляет наносекунды, а триплетного около милисекунды или больше. При определённых условиях синглетный экситон может перейти в триплет.[12]

Экситон перемещается в системе донора не далее 5-20 нм, в зависимости от вида полимера. Далее он имеет две возможности:

  • Диссоциировать и разделиться на отдельные положительный и отрицательный заряды, если экситон встретит на своём пути акцептор;
  • Распасться с излучением поглощённой энергии (путём фосфоресценции или люминесценции, в зависимости от типа экситона), если ближайшая молекула донора расположена за пределами возможной длины перемещения экситона.

Для полимерных солнечных батарей последний путь представляет собой потерю эффективности: важны только экситоны, которые могут диссоциировать. Энергия сопряжения дырки и электрона в экситоне в полимерных системах очень высока, около 0,5-1 эВ и поэтому при комнатной температуре термодинамической составляющей недостаточно, чтобы разделить экситон на заряды.[13] Поэтому для разделения экситона важны два аспекта: отсутствие порядка в системе (англ. disorder) и присутствие второго компонента, акцептора.

Низшая свободная молекулярная орбиталь акцептора должна иметь меньшую энергию, чтобы инициировать диссоциацию экситона и облегчить переход электрона на молекулы акцептора. Так, диссоциация экситона происходит на границе двух фаз: донора и акцептора, поэтому эффективность диссоциации экситонов намного выше в системах со смешанными фазами.

[14] Качество границ двух фаз, так называемого интерфейса, во многом определяет эффективность батареи, в особенности силу генерируемого тока. При диссоциации экситона, электрон переходит на акцептор, а дырка остается в фазе донора.

Комплекс переноса заряда[править | править код]

Однако, после диссоциации дырка и электрон не являются отдельными зарядами. Они пребывают на границе раздела фаз в связанном состоянии в виде так называемого переходного комплекса или комплекса переноса заряда (англ. charge transfer complex), состоящий из электрона и дырки, все ещё связанных между собой, но с меньшей энергией, чем в экситоне.

[15] Такой комплекс может или разделиться окончательно под действием внутреннего поля (определяемого разницей в энергетических уровнях донора и акцептора) или же рекомбинировать (объединиться в электрон на основном уровне без выделения энергии путём излучения).[16] Подобная рекомбинация называется сдвоенной (geminate), потому что оба рекомбинирующих партнёра имеют общее происхождение (из одного и того же экситона).

Транспорт электронов[править | править код]

Если же электрону и дырке удалось разделиться, то они перемещаются до электродов, где экстрагируются соответствующими электродами. Электрон перемещается по фазе акцептора до катода, а дырка – по фазе донора до анода. Если на своём пути отдельные заряды встречают противоположный заряд, который не попал к электроду по каким-то причинам, то они также рекомбинируют.[17] Такая рекомбинация называется не-сдвоенная, потому что рекомбинирующие электрон и дырка имеют различное происхождения (из разных экситонов). Рекомбинация зарядов является одним из факторов, ограничивающих эффективность солнечных батарей, так как рекомбинированные заряды не могут быть экстрагированы.

[18]

Поскольку для успешного транспорта зарядов каждая фаза должна быть непрерывной во всем фотоактивном слое, чтобы заряд беспрепятственно добрался до электродов, наилучшая экстракция наблюдается в батареях, где слой акцептора нанесен на слой донора без перемешивания. Однако для диссоциации экситонов такой подход неэффективен из-за маленькой границы раздела фаз.

Так, оптимальная морфология фотоактивного слоя представляет собой компромисс между транспортом электронов и диссоциацией экситонов на границе фаз. Оптимальная морфология слоя зависит от большого числа факторов: химической структуры донора и акцептора, их термических свойств, температуры и растворителя, а также метода получения слоя.

[19][20][21]

В сравнении с устройствами, основанными на кремниевой технологии, полимерные солнечные батареи легки (что важно для автономных датчиков малых размеров), доступны, недороги в производстве, гибки, оказывают незначительное влияние на окружающую среду, однако энергетический выход едва достигает одной четверти обычных кремниевых солнечных батарей.[22][23] Полимерные солнечные батареи также страдают значительным эффектом деградации: их эффективность снижается под воздействием окружающей среды. Хорошие защитные покрытия до сих пор не разработаны.

Открытым вопросом остаётся степень коммерческой конкуренции с кремниевыми солнечными батареями. Несмотря на то, что полимерные ячейки относительно дёшевы в производстве, индустрия кремниевых солнечных батарей имеет важное промышленное преимущество, будучи способной использовать кремниевую инфраструктуру, развитую для компьютерной индустрии. Однако, производители солнечных батарей находятся в невыгодном положении, поскольку вынуждены конкурировать с более крупной компьютерной индустрией в снабжении высококачественным кремнием.

Эффективность остаётся проблемой для этого типа технологии. Традиционные кремниевые батареи достигают эффективности 20 % и более. Наивысшая эффективность достигнута для солнечных батарей, используемых для питания космических спутников. Такие батареи демонстрируют эффективность до 40 %, что, соответственно, в два раза выше, чем имеют «наземные» батареи.

Другие солнечные батареи третьего поколения[править | править код]

  1. ↑ N.S. Sariciftci, L. Smilowitz, A.J. Heeger,F. Wudl, Photoinduced Electron Transfer from Conducting Polymers onto Buckminsterfullerene, Science 258, (1992) 1474
  2. ↑ https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies.20191106.pdf
  3. ↑ Polymer-Solar-Cells (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 10 сентября 2015. Архивировано 19 сентября 2015 года.
  4. ↑ Scientists develop ultra-thin solar cells
  5. ↑ The layer stack
  6. ↑ Yu, G.; Pakbaz, K.; Heeger, A. J. Appl. Phys. Lett. 1994, 64 (25), 3422–3424.
  7. ↑ Мир современных материалов — Перспективная альтернатива: полимерные солнечные батареи
  8. ↑ Litzov I., Brabec C.Development of Efficient and Stable Inverted Bulk Heterojunction (BHJ) Solar Cells Using Different Metal Oxide Interfaces. Materials 2013, 6, 5796-5820
  9. ↑ Electrodes
  10. ↑ How do polymer solar cells work
  11. ↑ Улавливание лучей: органические солнечные батареи делают прыжок вперед
  12. ↑ Энергию можно передавать с помощью триплетных экситонов
  13. ↑ Экситон
  14. ↑ Ориентация молекул определяет эффективность органических солнечных батарей
  15. ↑ M. C.; Sariciftci, N. S. Prog. Polym. Sci. 2013, 38 (12), 1929–1940. Open Access (недоступная ссылка)
  16. ↑ 11.3. Генерация и рекомбинация в полупроводниках и диэлектриках (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 13 сентября 2015. Архивировано 26 ноября 2015 года.
  17. ↑ Генерация носителей заряда.
  18. ↑ Процессы рекомбинации неравновесных носителей тока в полупроводниках
  19. ↑ Более эффективные солнечные батареи (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 13 сентября 2015. Архивировано 4 марта 2016 года.
  20. ↑ Органические солнечные батареи
  21. ↑ Раскрыт секрет повышения эффективности солнечных элементов
  22. ↑ Полимерные солнечные батареи
  23. ↑ Разбираемся в многообразии видов солнечных панелей

Нанокристаллические солнечные батареи — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Нанокристаллические солнечные батареи или квантовые ячейки — это солнечные батареи, основанные на кремниевой подложке, с покрытием из нанокристаллов.

Эпитаксиальная технология[править | править код]

Пока предыдущие методы создания квантовых ячеек полагаются на дорогостоящие эпитаксиальные процессы, производство с использованием коллоидного синтеза позволило повысить ценовую эффективность. Тонкие плёнки нанокристаллов получаются в процессе, известном как «спин-покрытие». Он включает размещение квантовых ячеек в виде раствора на плоском субстрате, который затем вращается с большой скоростью. Раствор распределяется равномерно, а субстрат вращается до тех пор, пока не будет достигнута требуемая толщина слоя.

Элементы на основе коллоидных плёнок[править | править код]

Фотоэлектрические ячейки, основанные на цветосенсибилизированных коллоидных плёнках TiO2 были открыты в 1991[1]году и оказались многообещающими по своей эффективности в преобразовании световой энергии в электрическую. В связи с низкой стоимостью материалов они невероятно обнадёживают в поиске коммерчески жизнеспособных возобновляемых источников энергии.

Элементы на основе органических полимеров[править | править код]

Несмотря на то, что исследования до сих пор находятся в зачаточном состоянии, в будущем квантовые ячейки, основанные на фотоэлектричестве, могут обладать преимуществами, такими, как механическая подвижность (квантовые ячейки на основе полимерных композитов[2]), низкая стоимость, при производстве «чистой» энергии.[3]

  1. ↑ B. O’Regan and M. Gratzel, Nature 353, (1991) 737—740
  2. ↑ D.S. Ginger and N.C. Greenham, Phys. Review B, 59, (1999) 10622
  3. ↑ Ilan Gur, Neil A. Fromer, Michael L. Geier, and A. Paul Alivisatos, Science 310, (2005) 462—465

Другие солнечные батареи третьего поколения[править | править код]

Солнечная энергетика — Википедия

Карта солнечного излучения

Солнечная энергетика — направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии[1] и является «экологически чистой», то есть не производящей вредных отходов во время активной фазы использования[2]. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. Гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой или солью для последующего использования нагретой воды для отопления, горячего водоснабжения или в паровых электрогенераторах). В качестве особого вида станций гелиотермальной энергетики принято выделять солнечные системы концентрирующего типа (CSP — Concentrated solar power). В этих установках энергия солнечных лучей с помощью системы линз и зеркал фокусируется в концентрированный луч света. Этот луч используется как источник тепловой энергии для нагрева рабочей жидкости.

Карта солнечного излучения — Европа

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в π раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше.

Возможная выработка энергии уменьшается из-за глобального затемнения — уменьшения потока солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Достоинства[править | править код]

  • Перспективность, доступность и неисчерпаемость источника энергии в условиях постоянного роста цен на традиционные виды энергоносителей.
  • Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки[править | править код]

  • Зависимость от погоды и времени суток[3].
  • Сезонность в средних широтах и несовпадение периодов выработки энергии и потребности в энергии. Нерентабельность в высоких широтах, необходимость аккумуляции энергии.
  • При промышленном производстве — необходимость дублирования солнечных энергетических установок традиционными сопоставимой мощности.
  • Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур).
  • Необходимость периодической очистки отражающей/поглощающей поверхности от загрязнения.
  • Нагрев атмосферы над электростанцией.
  • Необходимость использования больших площадей[3].
  • Сложность производства и утилизации самих фотоэлементов в связи с содержанием в них ядовитых веществ, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д.[3].
Годовая выработка электроэнергии в мире на СЭС
Год Энергия ГВт·ч Годовой прирост Доля от всей
2004 2,6 0,01 %
2005 3,7 42 % 0,02 %
2006 5,0 35 % 0,03 %
2007 6,8 36 % 0,03 %
2008 11,4 68 % 0,06 %
2009 19,3 69 % 0,10 %
2010 31,4 63 % 0,15 %
2011 60,6 93 % 0,27 %
2012 96,7 60 % 0,43 %
2013 134,5 39 % 0,58 %
2014 185,9 38 % 0,79 %
2015 253,0 36 % 1,05 %
2016 301,0 33 % 1,3 %
Источник — BP Statistical Review of World Energy, 2015, 2017[4][5][6]
Power of solar energy by country.jpg Solar capacity.jpg

В 1985 году все установленные мощности мира составляли 0,021 ГВт.

В 2005 году производство фотоэлементов в мире составляло 1,656 ГВт.

На начало 2010 года общая мировая мощность фотоэлементной солнечной энергетики составляла лишь около 0,1 % общемировой генерации электроэнергии[7].

В 2012 году общая мощность мировых гелиоэнергетических установок выросла на 31 ГВт, превысив 100 ГВт.

Крупнейшие производители фотоэлементов в 2012 году[8]:

  1. Yingli — 2300 МВт
  2. Флаг США First Solar — 1800 МВт
  3. Trina Solar — 1600 МВт
  4. Флаг Канады Canadian Solar — 1550 МВт
  5. Suntech — 1500 МВт
  6. Флаг Японии Sharp — 1050 МВт
  7. Jinko Solar — 900 МВт
  8. Флаг США SunPower — 850 МВт
  9. REC Group — 750 МВт
  10. Флаг Республики Корея Hanwha SolarOne — 750 МВт

В 2013 году глобально было установлено 39 ГВт фотоэлектрических мощностей. В результате общая мощность фотоэлектрических установок на начало 2014 года оценивалась в 139 ГВт[9].

Лидером по установленной мощности является Евросоюз[10], среди отдельных стран — Китай. По совокупной мощности на душу населения лидер — Германия.

В 2010 году 2,7 % электроэнергии Испании было получено из солнечной энергии[11].

В 2011 году около 3 % электроэнергии Италии было получено из фотоэлектрических установок[12].

В декабре 2011 года на Украине завершено строительство последней, пятой, 20-мегаваттной очереди солнечного парка в Перово, в результате чего его суммарная установленная мощность возросла до 100 МВт[13]. Солнечный парк Перово в составе пяти очередей стал крупнейшим парком в мире по показателям установленной мощности. За ним следуют канадская электростанция Sarnia (97 МВт), итальянская Montalto di Castro (84,2 МВт) и немецкая Finsterwalde (80,7 МВт). Замыкает мировую пятерку крупнейших фотоэлектрических парков — 80-мегаваттная электростанция Охотниково в Сакском районе Крыма.

В 2018 г. Саудовская Аравия заявила о намерении построить крупнейшую в мире солнечную электростанцию мощностью 200 ГВт[14].

Рабочие места[править | править код]

В середине 2011 года в фотоэлектрической промышленности Германии было занято более 100 тысяч человек. В солнечной энергетике США работали 93,5 тысяч человек[15].

Перспективы солнечной электроэнергетики[править | править код]

В мире ежегодный прирост энергетики за последние пять лет составлял в среднем около 50 %[16]. Полученная на основе солнечного излучения энергия гипотетически сможет к 2050 году обеспечить 20—25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов — или 20—25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно[7].

Перспективы использования солнца для получения электричества ухудшаются из-за высоких издержек. Так, СТЭС Айвонпа обходится вчетверо дороже, а генерирует гораздо меньше электроэнергии, по сравнению с газовыми электростанциями. По подсчётам экспертов, в будущем электроэнергия, вырабатываемая этой станцией, будет стоить вдвое дороже, чем получаемая от обычных источников энергии, а расходы, очевидно, будут переложены на потребителей[17].

Тем не менее, по прогнозам, себестоимость генерации электроэнергии солнечными электростанциями к 2020 году снизится до себестоимости генерации с использованием ископаемого топлива и переход к использованию солнечных электростанций станет экономически выгодным[18].

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[19].

Флаг Республики Корея

С помощью солнечного света можно освещать помещения в дневное время суток. Для этого применяются световые колодцы. Простейший вариант светового колодца — отверстие в потолке юрты. Световые фонари применяются для освещения помещений, не имеющих окон: подземные гаражи, станции метро, промышленные здания, склады, тюрьмы, и т. д. Световой колодец диаметром 300 мм способен освещать площадь 8 м². Один колодец позволяет в европейских условиях предотвратить ежегодный выброс в атмосферу до 7,4 тонн СО2. Световые колодцы с оптоволокном разработаны в 2004 году в США. В верхней части такого колодца применяются параболические коллекторы. Применение солнечных колодцев позволяет сократить потребление электроэнергии, в зимнее время — сократить дефицит солнечного света у людей, находящихся в здании[20].

Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т. д., то есть без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии. В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09—$0,12 за кВт·ч. Департамент Энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04—$0,05 к 2015—2020 г.

В 2007 году в Алжире началось строительство гибридных электростанций. В дневное время суток электроэнергия производится параболическими концентраторами, а ночью из природного газа.

На начало 2010 года общая мировая мощность солнечной термальной энергетики (концентраторных солнечных станций) достигла одного гигаватта[7]. К 2020 году страны Евросоюза планируют построить 26,3 ГВт солнечных термальных мощностей[21].

Флаг Республики Корея Солнечная жаровня

Солнечные коллекторы могут применяться для приготовления пищи. Температура в фокусе коллектора достигает 150 °С. Такие кухонные приборы могут широко применяться в развивающихся странах. Стоимость материалов необходимых для производства простейшей «солнечной кухни» составляет $3—$7.

Традиционные очаги для приготовления пищи имеют термическую эффективность около 10 %. В развивающихся странах для приготовления пищи активно используются дрова. Использование дров для приготовления пищи приводит к массированной вырубке лесов и вреду для здоровья. Например, в Индии от сжигания биомассы ежегодно поступает в атмосферу более 68 млн тонн СО2. В Уганде среднее домохозяйство ежемесячно потребляет 440 кг дров. Домохозяйки при приготовлении пищи вдыхают большое количество дыма, что приводит к увеличению заболеваемости дыхательных путей. По данным Всемирной организации здравоохранения в 2006 году в 19 странах южнее Сахары, Пакистане и Афганистане от заболеваний дыхательных путей умерло 800 тысяч детей и 500 тысяч женщин.

Существуют различные международные программы распространения солнечных кухонь. Например, в 2008 г. Финляндия и Китай заключили соглашение о поставках 19 000 солнечных кухонь в 31 деревню Китая. Это позволит сократить выбросы СО2 на 1,7 млн тонн в 2008—2012 гг. В будущем Финляндия сможет продавать квоты на эти выбросы.

Использование солнечной энергии в химическом производстве[править | править код]

Солнечная энергия может применяться в различных химических процессах. Например:

  • Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения неокисленного цинка в солнечной башне. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200 °С на вершине солнечной башни. В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно ещё раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк. Технология прошла испытания в солнечной башне канадского Institute for the Energies and Applied Research.
  • Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м². В фокусе концентратора температура достигает 2200°С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. За световой день 6,5 часов (6,5 кВт·ч/кв.м.) установка CHP может разделять на водород и кислород 94,9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг в год (около 10,4 кг в день).

Водород может использоваться для производства электроэнергии, или в качестве топлива на транспорте.

Флаг Республики Корея Беспилотный самолёт NASA Pathfinder Helios с фотоэлементами на крыльях

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т. д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши железнодорожных поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10 %.

В 1981 году летчик Paul Beattie MacCready совершил полет на самолёте Solar Challenger[en], питающемся только солнечной энергией, преодолев расстояние в 258 километров со скоростью 48 км/час[22]. В 2010 году солнечный пилотируемый самолет Solar Impulse продержался в воздухе 24 часа. Военные испытывают большой интерес к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) на солнечной энергии, способным держаться в воздухе чрезвычайно долго — месяцы и годы. Такие системы могли бы заменить или дополнить спутники.

  1. Калифорнийская электростанция «Million Solar Roofs» суммарной мощностью 3 ГВт Архивная копия от 6 октября 2014 на Wayback Machine 15.12.2005
  2. ↑ Геополитика солнца (неопр.). Частный Корреспондент. chaskor.ru (22 ноября 2008). Дата обращения 22 ноября 2008. Архивировано 22 августа 2011 года.
  3. 1 2 3 Лапаева Ольга Федоровна. Трансформация энергетического сектора экономики при переходе к энергосберегающим технологиям и возобновляемым источникам энергии (рус.) // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2010. — Вып. 13 (119).
  4. ↑ BP Statistical Review of World Energy June 2015, Renewables section, BP (June 2015).
  5. ↑ BP Statistical Review of World Energy June 2015, Electricity section, BP (June 2015).
  6. ↑ Статистическое обозрение Всемирной энергетической организации 2017 года, BP (June 2017).
  7. 1 2 3 BFM.RU Солнечные технологии обеспечат четверть электричества.
  8. ↑ Graph of the Day: World’s top ten solar PV suppliers. 15 April 2013// RE neweconomy
  9. ↑ http://www.ren21.net/Portals/0/documents/Resources/GSR/2014/GSR2014_full%20report_low%20res.pdf
  10. Геро Рютер, Андрей Гурков. Мировая солнечная энергетика: переломный год (неопр.). Deutsche Welle (29 мая 2013). Дата обращения 15 июня 2013. Архивировано 19 июня 2013 года.
  11. Paul Gipe Spain Generated 3 % of its Electricity from Solar in 2010 28 Январь 2011 г
  12. Paul Gipe Italy Passes 7,000 MW of Total Installed Solar PV 22 Июль 2011 г.
  13. ↑ Activ Solar построила в Крыму крупнейшую солнечную электростанцию в мире (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 2 марта 2012. Архивировано 19 июня 2013 года.
  14. ↑ Deutsche Welle 30.03.2018 Саудовская Аравия заменит нефть солнечными батареями
  15. Stephen Lacey Green Jobs Are Real: German and American Solar Industry Both Employ More People Than U.S. Steel Production 17 Июнь 2011 г.
  16. Дмитрий Никитин. Трудный путь к солнцу: согреет ли Россию солнечная энергетика (неопр.). РБК (17 июня 2013). Дата обращения 15 июня 2013. (недоступная ссылка)
  17. Кассандра Суит (перевёл Алексей Невельский). Гигантская солнечная электростанция в Калифорнии убивает птиц.. Гелиотермальная станция стоимостью $2,2 млрд может стать последним таким проектом: она нагревает воздух до 540 градусов по Цельсию, регуляторы и биологи считают это причиной смерти десятков птиц (рус.). Ведомости, перевод из The Wall Street Journal (13 февраля 2014). Дата обращения 6 июня 2016.
  18. ↑ Органическое топливо — на свалку истории? // Наука и жизнь. — 2018. — № 3. — С. 65.
  19. David Szondy. Stanford researchers develop self-cooling solar cells. (англ.). gizmag.com (25 July 2014). Дата обращения 6 июня 2016.
  20. ↑ BBC News — Alfredo Moser: Bottle light inventor proud to be poor
  21. Tildy Bayar Solar Thermal Holds Steady in Europe 15 Октябрь 2012 г.
  22. ↑ Britannica Book of the Year 2008: «MacCready, Paul Beattie», page 140
  • Д. Мак-Вейг Применение солнечной энергии. — М.: Энергоиздат, 1981. — Тираж 5 600 экз. — 210 с.
  • Умаров Г. Я.; Ершов А. А. Солнечная энергетика. — М.: Знание, 1974. — 64 с.
  • Алексеев В. В.; Чекарев К. В. Солнечная энергетика. — М.: Знание, 1991. — 64 с.
⛭

Отрасли промышленности

Солнечная батарея — это… Что такое Солнечная батарея?

Солнечная батарея — бытовой термин, используемый в разговорной речи или ненаучной прессе. Обычно под термином «солнечная батарея» или «солнечная панель» подразумевается несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

В отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя, солнечная батарея производит непосредственно электричество. Однако для производства электричества из солнечной энергии используются и солнечные коллекторы: собранную тепловую энергию можно использовать и для вырабатывания электричества. Крупные солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.), называются Гелиоэлектростанции (ГЕЭС).

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 быстрыми темпами в самых разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.

Использование

Микроэлектроника

Зарядное устройство

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

Электромобили

На крыше автомобиля Prius, 2008

Для подзарядки электромобилей.

Энергообеспечение зданий

Солнечная батарея на крыше дома

Солнечные батареи крупного размера, как и солнечные коллекторы, очень 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 должны быть 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].

В Нидерландах запущен проект по созданию оконного стекла «Smart Energy Glass» с функциональностью фотоэлемента (см. сайт проекта  (англ.) ).

Энергообеспечение населённых пунктов

Солнечно-ветровая энергоустановка

Использование в космосе

Солнечная батарея на МКС

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).

Эффективность фотоэлементов и модулей

Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли (AM0), составляет около 1366 ватт[2] на квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D [3], [4]). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может[5] быть менее 100 Вт/м². С помощью наиболее распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9—24 %. 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.[6]

Сообщается, что в отдельных лабораториях получены солнечные элементы с эффективностью 43 %[7]. В январе 2011 года ожидается поступление на рынок солнечных элементов с эффективностью 39%[8].

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей,
достигнутые в лабораторных условиях[9]
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.

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.

Производство

Очень часто одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности. Поэтому определенное количество PV элементов соединяется в так называемые фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. Эта сборка может быть полностью автоматизирована.[10]

Топ десять

Крупнейшие производители фотоэлектрических элементов (по суммарной мощности) в 2010 году.[11]

  1. Suntech Power (англ.)русск.
  2. First Solar (англ.)русск.
  3. Sharp Solar (англ.)русск.
  4. Yingli (англ.)русск.
  5. Trina Solar (англ.)русск.
  6. Canadian Solar (англ.)русск.
  7. Hanwha Solarone (англ.)русск.
  8. SunPower (англ.)русск.
  9. Renewable Energy Corporation (англ.)русск.
  10. SolarWorld

Производство в России

Заводы производящие солнечные батареи[источник не указан 646 дней]:

  1. ООО «Хевел» (Новочебоксарск)[12]
  2. «Телеком-СТВ» (Зеленоград)
  3. «Солнечный ветер» (Краснодар)[13]
  4. ОАО «НПП «Квант» (Москва)[14][15]
  5. ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов»
  6. ЗАО «Термотрон-завод» (Брянск)
  7. ОАО «Сатурн» Краснодар[16]

См. также

Ссылки

Примечания

  1. Spain requires new buildings use solar power
  2. «Solar Spectra: Air Mass Zero»
  3. «Solar Photovoltaic Technologies»
  4. «Reference Solar Spectral Irradiance: Air Mass 1.5»
  5. По материалам: www.ecomuseum.kz
  6. «Конкурентоспособность энергетики» // Photon Consulting
  7. Австралийцы установили новый рекорд КПД солнечных батарей  (рус.). Membrana. Membrana (28 августа 2009). Архивировано из первоисточника 25 июня 2012. Проверено 6 марта 2011.
  8. На рынок выходят солнечные батареи с рекордным КПД  (рус.). Membrana. Membrana (25 ноября 2010). Архивировано из первоисточника 25 июня 2012. Проверено 6 марта 2011.
  9. http://www.nitolsolar.com/rutechnologies/
  10. Производство фотоэлектрического солнечного модуля. Архивировано из первоисточника 25 июня 2012.
  11. PVinsights announces worldwide 2010 top 10 ranking of PV module makers
  12. ООО «Хевел». Архивировано из первоисточника 25 июня 2012.
  13. Солнечный ветер. Архивировано из первоисточника 25 июня 2012.
  14. Официальный сайт предприятия
  15. «Солнечные» крылья. Сюжет телестудии Роскосмоса февраль 2012 г.
  16. ОАО «Сатурн» Краснодар. Архивировано из первоисточника 25 июня 2012.
Есть более полная статья

Solaroad — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Solaroad (произносится Солароуд и примерно переводится как «Солнечная дорога») — велосипедная дорожка в городке Кроммени[nl] (Занстад, Северная Голландия, Нидерланды)[1]. Первое в мире сооружение такого типа, созданное из солнечных батарей[2].

Толчком к созданию такого объекта послужила мысль, что солнечные батареи, выполненные в виде дороги, будут иметь заметно бо́льшую площадь, чем аналогичные батареи, установленные на крыше дома, при этом визуальное влияние на ландшафт будет практически незаметным. К примеру, площадь дорог Нидерландов примерно вдвое больше, чем площадь крыш всех домов страны[3]. Длина этой дорожки составляет 72 метра. Электроэнергия, вырабатываемая ею, может быть использована для уличного освещения, подзарядки электромобилей и других нужд[1]. Поверхность дорожки представляет собой сборные панели размером 2,5 на 3,5 метра и толщиной один сантиметр, сделанные из закалённого стекла, под которыми располагаются собственно солнечные батареи. Дорожка выдерживает 12-тонный грузовик[4]. Непосредственно рядом с «солнечной» велодорожкой проложена обычная, предназначенная для тестирования разных типов поверхности[2].

Исполнителями работ стали Нидерландская организация прикладных научных исследований[nl], Royal Imtech N.V.[nl] и Ooms Civiel[3]. Деньги на строительство в размере 1,5 миллиона евро выделила провинция Северная Голландия, которая и стала владельцем объекта. Итоговая стоимость проекта составила 3,5 миллиона евро, недостающую сумму добавили вышеуказанные организации и правительство страны[5].

Велосипедист на дорожке
Выявленные проблемы[6][7]
  • Загрязнение панелей грязью, снегом и пр.
  • Панели не могут изменять угол наклона для аккумулирования как можно большего количества света, как это делается на крышах.
  • Тень от проезжающих велосипедистов уменьшает количество света, падающего на дорожку.
  • Стоимость наземных солнечных батарей вышла в 3—4 раза дороже аналогичных, устанавливаемых на крышах, таким образом, окупаемость данного проекта превысит 50 лет, хотя первоначально говорилось о 10 годах[8].
  • С учётом того, что один квадратный метр этой дорожки стоил около 1200 долларов и выработка энергии составляет 70 кВт м2/год[4][5], то стоимость одного киловатта составляет 86 центов. Для сравнения: «обычное» электричество в стране стоит 5 центов за киловатт.
  • Дорожка экологически отнюдь не идеальна: опасения экологов вызывают имеющиеся в её конструкции железобетонные плиты и эпоксидная смола, которые на протяжении длительного срока будут контактировать непосредственно с землёй.

Проект разрабатывался с 2009 года[1]. Открытие объекта состоялось 21 октября 2014 года, 12 ноября того же года состоялось повторное торжественное открытие министром экономики, сельского хозяйства и инноваций Хенком Кампом[nl][9]. С 26 декабря 2014 года по 8 января 2015 года[9][10] и в октябре 2015 года дорожка была закрыта в связи с ремонтом: на некоторых участках произошло отхождение стеклянного слоя и его повреждение.
За первый месяц работы Solaroad выработала количество энергии, достаточное для жизни одной семьи[10].
После полугода «испытательного срока» инженеры сообщили, что «результаты лучше, чем ожидалось»[4] — за шесть месяцев каждый квадратный метр дорожки выработал 35 кВт электричества. За это время по дорожке проехали около 150 тысяч велосипедистов[11].
Австралийский инженер-видеоблогер Дэвид Джонс[en] провёл исследование, изучив выработку электроэнергии за полгода и год Solaroad и обычными солнечными батареями, расположенными на крышах домов неподалёку. Он пришёл к выводу, что традиционные солнечные батареи вдвое эффективнее новой велодорожки[12][13].
В настоящее время рассматривается возможность движения электромобилей по дороге такого типа без подзарядки; возможность строительства полноценных автодорог из солнечных батарей[14], например, во Франции[15].

  1. 1 2 3 Стефани Млот. The Netherlands Preps World’s First Solar Road  (англ.) на сайте pcmag.com, 10 ноября 2014
  2. 1 2 Роберт Спаковскис. SolaRoad: World’s first solar cycle path to open in the Netherlands  (англ.) на сайте phys.org, 7 ноября 2014
  3. 1 2 Solaroad Combineert weg met Zonnepaneel  (нид.) на сайте tno.nl[nl]
  4. 1 2 3 Фиона Макдональд. The solar road in the Netherlands is working even better than expected  (англ.) на сайте sciencealert.com, 11 мая 2015
  5. 1 2 Provincie stak ruim € 1,5 miljoen in Solaroad  (нид.) на сайте deorkaan.nl, 15 декабря 2015
  6. ↑ Solar freakin’ roadways? Why the future of this technology may not be so bright  (англ.) на сайте theconversation.com, 17 декабря 2015
  7. Джоэль Андерсон. France’s Solar Roads Plan a Costly, Inefficient Boondoggle  (англ.) на сайте equities.com, 8 февраля 2016
  8. Тоби Стерлинг. SolaRoad Turns Holland’s Bike Paths Into Underfoot Power Stations  (англ.) на сайте huffingtonpost.ca, 12 ноября 2014
  9. 1 2 Zonnecellen-fietspad SolaRoad beschadigd Архивная копия от 23 января 2019 на Wayback Machine  (нид.) на сайте biojournaal.nl, 5 января 2015
  10. 1 2 SolaRoad stukgevroren  (нид.) на сайте cobouw.nl, 30 декабря 2014
  11. Жаклин Говард. World’s First Solar Road Is Generating Even More Power Than Expected  (англ.) на сайте huffingtonpost.com, 13 мая 2015
  12. ↑ EEVblog #743 — Solar Roadways Test Results  (англ.) на сайте eevblog.com, 13 мая 2015
  13. ↑ EEVblog #850 — French Wattway Solar Roadways Busted  (англ.) на сайте eevblog.com, 14 февраля 2016
  14. Тарек Бэзли. Dutch solar road makes enough energy to power household  (англ.) на сайте aljazeera.com, 10 мая 2015
  15. ↑ Frankrijk legt 1.000 kilometer weg vol met zonnepanelen  (нид.) на сайте duurzaambedrijfsleven.nl, 27 января 2016

Обсуждение:Солнечная батарея — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

дороботайте.наладте продажу.(солнечных батарей)за электро энергию устал платить. Игорь

  • а можно персональный ядерный генератор? :)//Berserkerus01:57, 13 января 2008 (UTC)
  • фиговое определение, ибо под него попадаеют и антенны, и не подпадают калькуляторные солнечные батареи работающие от оффисного искуств освещения. нужно стащить хорошее определение из АИ.//Berserkerus01:56, 13 января 2008 (UTC)

Можно ли создать такую лампу, благодаря которой, солнечные батарей будут выдавать максимум энергии?

86.57.131.102 10:59, 7 мая 2008 (UTC) CangReal 86.57.131.102 10:59, 7 мая 2008 (UTC)

зачем??? Samkharadze Timur 18:17, 25 августа 2010 (UTC)

один из генераторов альтернативных видов энергии

Электрическая энергия — это альтернативный вид энергии, получается? И разве это не тип генератора, а не он сам? 93.80.179.202 15:44, 31 октября 2008 (UTC)

КПД фотоэлементов и модулей[править код]

В применении к фотоэлементам употребляется не КПД, а эффективность. Кузнецов 04:39, 12 октября 2010 (UTC)

  • Еще КПД зависит от потерь в проводах постоянного тока(длина проводов), в хранении тока(деградация батарей), в преобразовании в переменный ток. Обычно используют вредные свинцовые батарей, так что массовое производство невозможно, и цена, солнечные системы стоят 100 000 руб за кВт, что гораздо дороже подключения к сети но выгоднее дизельного генератора, но еще один минус- в московской широте зимой, энергия света составит 30 Вт на м, учитывая КПЛ системы, можно собрать только крохи от 30 Вт и на отопление этого не хватит и на освещение.—5.228.28.153 09:37, 16 июля 2013 (UTC)

«В 2005 году было заявлено, что российские учёные разработали ‘Звездные батареи’ с эффективностью фотоэлементов 90%»

Я помню это. Это явный фейк. Было сказано, что российские ученые разработали батареи, которые обеспечат человечество энергией за счет света звезд НОЧЬЮ! Можно смело удалять. 83.167.92.118 14:57, 6 ноября 2010 (UTC)

31.05.2013г данные о Звездных батареях подтвердились! Вчера в думе РФ собрались самые ярые умы России и зарубежья, сменили главу РАН!

«Срок годности» батарей[править код]

Где-то в инете наткнулся на информацию о том, что со сроком службы ухудшаются параметры солнечных батарей.(что-то вроде если я правильно помню — от полугода до 30 лет) Был очень этим удивлён, т.к. казалось что они «вечные» и ломаться там нечему. Это миф или действительно так происходит? Думаю, об этом надо указать в статье, чтоб люди имели понятие. Вот только я об этом ничего не знаю. Кто связан с этим делом, напишите раздел в статью.

Здесь за час работы при большой интенсивности света ∼10 AM1.5 и температуре 50°C КПД падает на 20…40%. Но для добавления в статью нужна информация по работе в реальных условиях. S-Ene 08:15, 27 сентября 2015 (UTC)

«Солнечные батареи» на крыше здания РАН[править код]

До последнего времени верил словам экскурсовода, что на крыше здания Президиума РАН установлены солнечные батареи. Оказывается миф. http://ss-op.ru/reviews/view/84 159.245.16.100 10:07, 13 февраля 2014 (UTC)

Ну вообще то все «солнечные» батареи на самом деле «звездные» и теоретически вполне могут работать от фотонов любых звезд с любых сторон планет. Т.е. от прямых и отраженных лучей. Но КПД конечно будет намного выше от прямого попадания фотонов света звезд на батарею! Так что нет ничего удивительного, что Дубнинские ядерщики при использовании сверхпроводящих материалов ухитрились захватывать какую-то часть энергии звезды Солнце и в «темное» время суток на Земле.

Не фотоэлектрические преобразователи[править код]

В статье много написано про коллекторы и водонагреватели при том, что в определении написано СБ — фотоэлектрический преобразователь. Попробую почистить. S-Ene 16:51, 25 сентября 2015 (UTC)

А чего её чистить? Удалять надо. Есть статья Фотоэлемент.—Кузнецов 12:53, 26 сентября 2015 (UTC)
  • Ну это вы погорячились. Конечно солнечная батарея по сути разновидность фотоэлемента, но специфика и массовость позволяют говорить о самостоятельной значимости СБ. ASDFS 14:43, 26 сентября 2015 (UTC)
Термин Солнечная батарея выдумали журналисты, ими он и применяется. Никакой самостоятельной значимости за ним не стоит. —Кузнецов 13:44, 27 сентября 2015 (UTC)
  • Если у вас есть АИ на происхождение названия, то есть смысл написать об этом главу. ASDFS 17:31, 27 сентября 2015 (UTC)
Тогда есть смысл переименовать статью в солнечная панель. S-Ene 15:10, 27 сентября 2015 (UTC)
  • Панель это недавнее англоязычное заимствование. Не говоря уж о формальной ошибочности подобного названия — СБ вовсе не обязана иметь плоскую форму. ASDFS 17:31, 27 сентября 2015 (UTC)
Солнечная батарея — это готовое изделие, которое включает несколько фотоэлементов, защитное покрытие и общие конструктивные элементы. Поэтому страница нужна, но данные про лабораторные образцы фотоэлементов в ней лишние, и их можно удалить. S-Ene 11:42, 27 сентября 2015 (UTC)
  • Давайте не будем путать фотоэлемент как понятие микроэлектроники и СБ как понятие энергетики. В статье о фотоэлементах как электронных компонентах гигантский раздел про КПД преобразования сделает статью несбалансированной. В то же время пространное повествование о КПД в СБ вполне уместны. В том числе о разработках, ибо их ведут исключительно в рамках энергетических задач. ASDFS 12:02, 27 сентября 2015 (UTC)
Чтобы не путать, существует статья Солнечная энергетика—Кузнецов 13:42, 27 сентября 2015 (UTC).
  • Гидроэнергетика и электрогенератор это разные понятия и разные статьи. Так же и здесь. ASDFS 17:31, 27 сентября 2015 (UTC)
Если припасть к англ. источнику, то там написано Solar panel refers to a panel designed to absorb the sun’s rays as a source of energy for generating electricity or heating. Есть статья Фотоэлемент, есть статья Солнечный коллектор. Зачем умножать статьи?—Кузнецов 13:49, 27 сентября 2015 (UTC)
  • У вас есть право вынести эту статью на удаление. ASDFS 17:31, 27 сентября 2015 (UTC)

Про энергетическую эффективность солнечных батарей[править код]

Максимальная энергетическая (не деньги) эффективность сельского хозяйства 3 кг углеводов с квадратного метра за год — 14 кг картофеля или 50 кг помидор с квадратного метра — достигается в теплицах. Больше не бывает. Энергетическая эффективность луга 1 кг углеводов с квадратного метра за год. Среднегодовой поток в Европе наверно 150 ватт на квадратный метр. Даже при кпд 15 процентов эффективность солнечных батарей в 15 раз выше максимальной эффективности сельского хозяйства и в 45 раз выше эффективности сенокоса. В экономическом смысле (деньгами) тепличное хозяйство превосходит солнечные панели. 46.237.48.199 10:21, 23 февраля 2016 (UTC)

  • Если у вас есть ссылки на ВП:АИ с этими цифрами, то можно запилить в основную статью. ASDFS 11:58, 23 февраля 2016 (UTC)
  • Сам считал по разным данным из интернета. Вы можете сами добавить кусок со своими ссылками. Может будут чуть другие цифры. Урожайность, содержание влаги в продуктах, сбор сена, средний кпд солнечных панелей это в разных местах в интернете есть. Среднегодовой поток света из вики солнечная энергетика, там карта. Все остальное простые энергетические расчеты в мегаджоулях. 109.161.15.122 15:28, 1 марта 2016 (UTC)

Солнечная батарея — Википедия

Солнечная батарея — объединение 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

В 1839 году Александр Эдмон Беккерель открыл эффект преобразования света в электричество. Чарльз Фриттс (англ. Charles Fritts) начал использовать селен для превращения света в электричество. Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фотохимиком 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 — «Авангард-1». 15 мая 1958 года в СССР также был запущен спутник с использованием солнечных батарей — «Спутник-3».

Использование

Портативная электроника

Зарядное устройство

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

Электромобили

На крыше автомобиля Prius, 2008

Для подзарядки электромобилей.

Авиация

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

Энергообеспечение зданий

Солнечная батарея на крыше дома

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].

В настоящее время переход на солнечные батареи вызывает много критики среди людей. Это обусловлено повышением цен на электроэнергию, загромождением природного ландшафта. Противники перехода на солнечные батареи критикуют такой переход, так как владельцы домов и земельных участков, на которых установлены солнечные батареи и ветровые электростанции, получают субсидии от государства, а обычные квартиросъемщики — нет. В связи с этим Федеральное министерство экономики Германии разработало законопроект который позволит в ближайшем будущем ввести льготы для арендаторов, проживающих в домах, которые обеспечиваются энергией, поступающей от фотовольтаических установок или блочных тепловых электростанций. Наряду с выплатой субсидий владельцам домов, которые используют альтернативные источники энергии, планируется выплачивать дотации проживающим в этих домах квартиросъемщикам.[2]

Энергообеспечение населённых пунктов

Солнечно-ветровая энергоустановка

Дорожное покрытие

Солнечные батареи как дорожное покрытие:

  • В 2014 году в Нидерландах открылась первая в мире велодорожка из солнечных батарей.
  • В 2016 году министр экологии и энергетики Франции Сеголен 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 учёта отопления)[3][неавторитетный источник?] .
  • В феврале 2017 года в нормандской деревне Tourouvre-au-Perche французским правительством была открыта дорога из солнечных батарей. Километровый участок дороги оборудован 2880 солнечными панелями. Такое дорожное покрытие обеспечит электроэнергией уличные фонари деревни. Панели каждый год будут вырабатывать 280 мегаватт час электроэнергии. Строительство отрезка дороги обошлось в 5 миллионов евро.[4]

Использование в космосе

Солнечная батарея на МКС

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[5].

Эффективность фотоэлементов и модулей

Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли (AM0), составляет около 1366 ватт[6] на квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D[7][8]). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может[9] быть менее 100 Вт/м²[источник не указан 1442 дня]. С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9—24 %[источник не указан 1442 дня]. 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[10][неавторитетный источник?].

Фотоэлементы и модули делятся в зависимости от типа и бывают: монокристалические, поликристалические, аморфные (гибкие, пленочные).[11]

В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %[12]. В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с эффективностью 39 %[13]. 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[14].

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[15].

В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4×4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 %[16], а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Soitec, CEA-Leti и Берлинского центра имени Гельмгольца создали использующий линзы Френеля фотоэлемент с КПД 44,7 %, превзойдя своё собственное достижение в 43,6 % [17][неавторитетный источник?]. В 2014 году Институт солнечных энергосистем Фраунгофер создали солнечные батареи, в которых благодаря фокусировке линзой света на очень маленьком фотоэлементе КПД составил 46 %[18][неавторитетный источник?][19].

В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца[20].

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 %[21][22].

Также, в 2018 году, с открытием флексо-фотовольтаического эффекта, обнаружена возможность увеличения КПД фотоэлементов[23]., а также за счёт продления жизни горячих носителей (электронов) теоретический предел их эффективности поднялся с 34 сразу до 66 процентов[24].

В 2019 году российские учёные из Сколковского института науки и технологий (Сколтеха), Института неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) и Института проблем химической физики РАН получили принципиально новый полупроводниковый материал для солнечных батарей, лишённый большинства недостатков материалов, применяемых сегодня[25]. Группа российских исследователей опубликовала в журнале Journal of Materials Chemistry A[26] результаты работы по применению для солнечных батарей нового разработанного ими полупроводникового материала — комплексного полимерного йодида висмута ({[Bi3I10]} и {[BiI4]}), структурно подобного минералу перовкситу (природному титанату кальция), который показал рекордный коэффициент преобразования света в электроэнергию.[26][27] Та же группа учёных создала второй аналогичный полупроводник на основе комплексного бромида сурьмы с перовкситоподобной структурой.[28][29]

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей,
достигнутые в лабораторных условиях[30][неавторитетный источник?]
Тип Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
Кремниевые 24,7
Si (кристаллический)
Si (поликристаллический)
Si (тонкопленочная передача)
Si (тонкопленочный субмодуль) 10,4
III-V
GaAs (кристаллический) 25,1
GaAs (тонкопленочный) 24,5
GaAs (поликристаллический) 18,2
InP (кристаллический) 21,9
Тонкие плёнки 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.[31]

Cолнечные электростанции подвергаются критике из-за высоких издержек, а также низкой стабильности комплексных галогенидов свинца и токсичности этих соединений. В настоящее время ведутся активные разработки бессвинцовых полупроводников для солнечных батарей, например на основе висмута[26] и сурьмы.

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 около 55 °C. С увеличением температуры фотогальванического элемента на 1°, его эффективность падает на 0,5 %. Эта зависимость нелинейна 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[32].

Производство солнечных модулей

Очень часто одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности. Поэтому определённое количество фотоэлементов соединяется в так называемые фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. Эта сборка может быть полностью автоматизирована[33].

Пятерка крупнейших производителей

Крупнейшие производители фотоэлектрических элементов (по суммарной мощности) в 2016 году.[34]

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

См. также

Примечания

  1. ↑ Spain requires new buildings use solar power
  2. ↑ Арендаторам домов с солнечными батареями будет выплачиваться дотация, Germania.one.
  3. ↑ Франция построит 1000 км дорог с солнечными батареями
  4. ↑ Во Франции открыли первую дорогу из солнечных панелей, theUK.one.
  5. ↑ ТАСС: Наука — Ученые Южной Кореи создали подкожную солнечную батарею
  6. ↑ «Solar Spectra: Air Mass Zero»
  7. ↑ «Solar Photovoltaic Technologies» (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 7 февраля 2012. Архивировано 26 мая 2012 года.
  8. ↑ «Reference Solar Spectral Irradiance: Air Mass 1.5»
  9. ↑ По материалам: www.ecomuseum.kz (недоступная ссылка)
  10. ↑ «Конкурентоспособность энергетики» Архивная копия от 14 ноября 2007 на Wayback Machine // Photon Consulting
  11. ↑ Виды солнечных батарей (неопр.).
  12. ↑ Австралийцы установили новый рекорд КПД солнечных батарей (рус.). Membrana. Membrana (28 августа 2009). Дата обращения 6 марта 2011. Архивировано 25 июня 2012 года.
  13. ↑ На рынок выходят солнечные батареи с рекордным КПД (рус.). Membrana. Membrana (25 ноября 2010). Дата обращения 6 марта 2011. Архивировано 25 июня 2012 года.
  14. ↑ Solar Junction Breaks Concentrated Solar World Record with 43,5 % Efficiency
  15. ↑ Как сконцентрировать солнечный свет без концентраторов
  16. ↑ Sharp разработала концентрирующий фотоэлемент с кпд 44,4 % (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 11 июля 2013. Архивировано 30 марта 2014 года.
  17. ↑ Новый рекорд КПД фотоэлемента: 44,7 %
  18. ↑ УЧЁНЫЕ ИЗ ИНСТИТУТА СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ ФРАУНГОФЕРА РАЗРАБОТАЛИ СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ С КПД 46 % И ЭТО НОВЫЙ МИРОВОЙ РЕКОРД
  19. ↑ New world record for solar cell efficiency at 46 % — Fraunhofer ISE
  20. ↑ All-silicon spherical-Mie-resonator photodiode with spectral response in the infrared region
  21. Б. Берланд. Фотоэлементы уходят за горизонт: Оптические ректенны солнечных батарей (англ.). Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США (2003). Дата обращения 4 апреля 2015.
  22. 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.
  23. Александр Дубов. Физики выдавили из солнечных батарей дополнительную энергию (неопр.). nplus1.ru. Дата обращения 25 апреля 2018.
  24. Александр Дубов. Химики продлили жизнь горячим электронам в перовскитных батареях (неопр.). nplus1.ru. Дата обращения 20 июня 2018.
  25. Софья Алимова. Российские ученые разработали новый материал для солнечных батарей (неопр.). Народные Новости России. Дата обращения 14 мая 2019.
  26. 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.
  27. ↑ В России разработали новый полупроводник для солнечных батарей. Он не токсичный и очень эффективный! — Хайтек (рус.). hightech.fm. Дата обращения 14 мая 2019.
  28. ↑ В России создали новый полупроводниковый материал для солнечных батарей (неопр.). ТАСС. Дата обращения 14 мая 2019.
  29. ↑ Ученые Сколтеха разработали новые полупроводниковые материалы для электроники (неопр.). naked-science.ru. Дата обращения 14 мая 2019.
  30. ↑ Максимальные значения КПД фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях (неопр.) (недоступная ссылка). Nitol Solar Limited. Архивировано 17 июля 2008 года.
  31. Лапаева Ольга Федоровна. Трансформация энергетического сектора экономики при переходе к энергосберегающим технологиям и возобновляемым источникам энергии (рус.) // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2010. — Вып. 13 (119).
  32. David Szondy. Stanford researchers develop self-cooling solar cells. (англ.). gizmag.com (25 July 2014). Дата обращения 6 июня 2016.
  33. ↑ Производство фотоэлектрического солнечного модуля (неопр.). Архивировано 25 июня 2012 года.
  34. ↑ Bloomberg New Energy Finance Tier 1 module maker list, Q2 2016

Ссылки

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*