Solcellebatteri

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 31. juli 2022; verifikation kræver 1 redigering .

Solbatteri , solpanel  - en kombination af fotoelektriske omformere ( fotoceller ) - halvlederenheder , der direkte omdanner solenergi til jævnstrøm , i modsætning til solfangere , der opvarmer varmeoverførselsmaterialet .

Forskellige enheder, der gør det muligt at konvertere solstråling til termisk og elektrisk energi, er genstand for forskning i solenergi (fra det græske helios Ήλιος , Helios - "Sol"). Produktionen af ​​fotovoltaiske celler og solfangere udvikler sig i forskellige retninger. Solpaneler kommer i en række forskellige størrelser, fra dem, der er indbygget i lommeregnere til at optage tagene på biler og bygninger.

Normalt består et solcelleanlæg af et eller flere solpaneler, en inverter og i nogle tilfælde et batteri og en solcelletracker.

Historie

I 1842 opdagede Alexandre Edmond Becquerel effekten af ​​at omdanne lys til elektricitet. Charles Fritts begyndte at bruge selen til at omdanne lys til elektricitet .  De første prototyper af solceller blev skabt af den italienske fotokemiker Giacomo Luigi Chamician .

Den 25. april 1948 annoncerede specialister fra Bell Laboratories oprettelsen af ​​de første siliciumbaserede solceller til at producere elektrisk strøm. Denne opdagelse blev gjort af tre ansatte i virksomheden - Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin og Gerald Pearson. Effektiviteten af ​​deres solbatteri var 6 % [1] . Under pressekonferencen fungerede batteriet med succes som strømkilde til et "pariserhjul" legetøj og en radiosender [2] . Allerede 10 år senere, den 17. marts 1958, blev en satellit opsendt i USA ved hjælp af solpaneler - Avangard-1 . Den 15. maj 1958 opsendte USSR også en satellit ved hjælp af solpaneler - Sputnik-3 .

Typer af solceller

Tre typer solceller. Hver af disse typer solceller er lavet på en unik måde og har en anden æstetik.

  1. monokrystallinsk
  2. Polykrystallinsk
  3. Tynd film solpaneler

Brug

Bærbar elektronik

At levere elektricitet og/eller genoplade batterier til diverse forbrugerelektronik - lommeregnere, afspillere, lommelygter mv.

Elbiler

Til opladning af elbiler .

Luftfart

Et af projekterne for at skabe et fly, der kun bruger solenergi, er Solar Impulse .

Energiforsyning af bygninger

Solceller i store størrelser, ligesom solfangere, er meget udbredt i tropiske og subtropiske områder med et stort antal solskinsdage. Især populære i Middelhavslandene , hvor de er placeret på tagene af huse.

Nye spanske boliger er blevet udstyret med solvarmere siden marts 2007 for at dække mellem 30 % og 70 % af deres varmtvandsbehov, afhængig af boligens beliggenhed og forventede vandforbrug. Erhvervsejendomme (indkøbscentre, hospitaler mv.) skal have solcelleudstyr [3] .

I øjeblikket giver overgangen til solpaneler en del kritik blandt folk. Dette skyldes stigningen i elpriserne, rod i det naturlige landskab. Modstandere af overgangen til solpaneler kritiserer en sådan overgang, da ejerne af huse og grunde, hvorpå der er installeret solpaneler og vindmølleparker, modtager tilskud fra staten, mens almindelige lejere ikke får. I den forbindelse har det tyske forbundsøkonomiministerium udarbejdet et lovforslag, der i den nærmeste fremtid vil give mulighed for at indføre fordele for lejere, der bor i huse, der er forsynet med energi fra solcelleanlæg eller blokerer termiske kraftværker. Sideløbende med udbetaling af tilskud til ejere af huse, der anvender alternative energikilder, er det planlagt at udbetale tilskud til lejere, der bor i disse huse. [fire]

Energiforsyning af bebyggelser

Vejbelægning

Solpaneler som vejbelægning :

Brug i rummet

Solpaneler er en af ​​de vigtigste måder at opnå elektrisk energi på rumfartøjer : de arbejder i lang tid uden at forbruge materialer, og samtidig er de miljøvenlige i modsætning til nukleare og radioisotopenergikilder .

Men når man flyver i stor afstand fra Solen, bliver deres brug problematisk, da solenergifluxen er omvendt proportional med kvadratet af afstanden fra Solen. På Mars er strømmen af ​​solpaneler halvdelen af ​​den på Jorden, og nær de fjerne planeter i solsystemets giganter falder strømmen så meget, at det gør solpaneler næsten fuldstændig ubrugelige. Når man flyver til de indre planeter , Venus og Merkur , øges kraften af ​​solbatterier tværtimod betydeligt: ​​i Venus-regionen med 2 gange og i Merkur-regionen med 6 gange.

Medicinsk brug

Sydkoreanske videnskabsmænd har udviklet en subkutan solcelle. En miniature energikilde kan implanteres under huden på en person for at sikre en jævn drift af enheder implanteret i kroppen, såsom en pacemaker. Sådan et batteri er 15 gange tyndere end et hår og kan genoplades, selvom der påføres solcreme på huden [8] .

Effektivitet af fotoceller og moduler

Effekten af ​​solstrålingsfluxen ved indgangen til Jordens atmosfære (AM0) er omkring 1366 watt [9] per kvadratmeter (se også AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D [10] [11] ) . Samtidig kan den specifikke effekt af solstråling i Europa i meget overskyet vejr, selv om dagen, være mindre end 100 W/m² [12] . . Ved hjælp af gængse kommercielt producerede solceller er det muligt at omdanne denne energi til elektricitet med en virkningsgrad på 9-24 % . I 2020 er prisen på solpaneler faldet til 0,15 - 0,33 USD/W, afhængigt af panelets type og effekt [13] . I 2019 nåede prisen på elektricitet produceret af industrielle solcellestationer op på 0,068 USD pr. kWh [14] . I 2021 er engrosprisen på solceller faldet til 0,07 - 0,08 USD/W [15] .

Fotoceller og moduler er opdelt efter type og er: monokrystallinske, polykrystallinske, amorfe (fleksible, film).

I 2009 demonstrerede Spectrolab (et datterselskab af Boeing) en solcelle med en effektivitet på 41,6 % [16] . I januar 2011 forventedes solceller fra denne virksomhed at komme på markedet med en effektivitet på 39 % [17] . I 2011 opnåede Californien-baserede Solar Junction en effektivitet på 43,5 % for en 5,5x5,5 mm fotocelle, en stigning på 1,2 % fra den tidligere rekord [18] .

I 2012 skabte Morgan Solar Sun Simba-systemet af polymethylmethacrylat (plexiglas), germanium og galliumarsenid ved at kombinere en koncentrator med et panel, hvorpå en fotocelle er monteret. Effektiviteten af ​​systemet i en stationær position af panelet var 26-30% (afhængigt af årstiden og den vinkel, hvor Solen befinder sig), dobbelt så stor som praktisk effektivitet af fotoceller baseret på krystallinsk silicium [19] .

I 2013 skabte Sharp en trelags fotocelle i størrelsen 4 × 4 mm baseret på indium galliumarsenid med en effektivitet på 44,4 % [20] , og en gruppe specialister fra Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, Soitec, CEA-Leti og Berlin-centret opkaldt efter Helmholtz , skabte de en fotocelle ved hjælp af Fresnel-linser med en effektivitet på 44,7 %, hvilket overgik deres egen præstation på 43,6 % [21] . I 2014 skabte Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems solcellebatterier, hvor effektiviteten var 46 % på grund af fokuseringen af ​​lys på en meget lille fotocelle af en linse [22][23] .

I 2014 udviklede spanske videnskabsmænd en fotovoltaisk siliciumcelle, der er i stand til at omdanne infrarød stråling fra Solen til elektricitet [24] .

En lovende retning er skabelsen af ​​fotoceller baseret på nanoantenner , der opererer på direkte ensretning af strømme induceret i en lille antenne (i størrelsesordenen 200-300 nm) af lys (det vil sige elektromagnetisk stråling med en frekvens på omkring 500 THz) . Nanoantenner kræver ikke dyre råvarer til produktion og har en potentiel effektivitet på op til 85 % [25] [26] .

Også i 2018, med opdagelsen af ​​den flexo-fotovoltaiske effekt, blev muligheden for at øge effektiviteten af ​​fotovoltaiske celler [27] opdaget . På grund af forlængelsen af ​​levetiden for varme bærere (elektroner) er den teoretiske grænse for deres effektivitet steget fra 34 til 66 procent på én gang [28] .

I 2019, russiske videnskabsmænd fra Skolkovo Institut for Videnskab og Teknologi (Skoltech) , Institut for Uorganisk Kemi. A.V. Nikolaev fra den sibiriske afdeling af det russiske videnskabsakademi (SB RAS) og Institute of Problems of Chemical Physics af RAS modtog et fundamentalt nyt halvledermateriale til solceller, blottet for de fleste mangler ved materialer, der bruges i dag [29] . En gruppe russiske forskere publicerede i tidsskriftet Journal of Materials Chemistry A [30] resultaterne af deres arbejde med brugen af ​​et nyt halvledermateriale udviklet af dem til solceller - et komplekst polymert bismuthiodid ({[Bi 3 ) I 10 ]} og {[BiI 4 ]} ), strukturelt ligner mineralet perovskit (naturligt calciumtitanat), som viste en rekordomdannelseshastighed af lys til elektricitet. [30] [31] Den samme gruppe af videnskabsmænd skabte en anden lignende halvleder baseret på komplekst antimonbromid med en perovskit-lignende struktur. [32] [33]

Maksimale effektivitetsværdier for fotoceller og moduler
opnået under laboratorieforhold [34]
Type Fotoelektrisk konverteringsfaktor, %
Silicium 24.7
Si (krystallinsk)
Si (polykrystallinsk)
Si (Thin Film Transfer)
Si (tynd film undermodul) 10.4
III-V
GaAs (krystallinsk) 25.1
GaAs (tynd film) 24.5
GaAs (polykrystallinsk) 18.2
InP (krystallinsk) 21.9
Tynde film af chalcogenider
CIGS (fotocelle) 19.9
CIGS (undermodul) 16.6
CdTe (fotocelle) 16.5
Amorft/nanokrystallinsk silicium
Si (amorf) 9.5
Si (nanokrystallinsk) 10.1
Fotokemisk
Baseret på organiske farvestoffer 10.4
Baseret på organiske farvestoffer (undermodul) 7.9
økologisk
organisk polymer 5.15
Flerlag
GaInP/GaAs/Ge 32,0
GaInP/GaAs 30.3
GaAs/CIS (tynd film) 25.8
a-Si/mc-Si (tyndt undermodul) 11.7

Faktorer, der påvirker effektiviteten af ​​solceller

Funktioner af strukturen af ​​fotoceller forårsager et fald i ydeevnen af ​​panelerne med stigende temperatur.

Delvis dæmpning af panelet forårsager et fald i udgangsspændingen på grund af tab i det uoplyste element, som begynder at fungere som en parasitisk belastning. Denne ulempe kan elimineres ved at installere en bypass på hver fotocelle i panelet. I overskyet vejr, i fravær af direkte sollys, bliver paneler, der bruger linser til at koncentrere stråling, ekstremt ineffektive, da effekten af ​​linsen forsvinder.

Det kan ses af solcellepanelets driftskarakteristik, at for at opnå den største effektivitet kræves det korrekte valg af belastningsmodstanden. For at gøre dette er solcellepanelerne ikke forbundet direkte med belastningen, men bruger en solcelleanlægsstyringscontroller, der sikrer den optimale drift af panelerne.

Ulemper ved solenergi

Solkraftværker kritiseres på grund af høje omkostninger, såvel som den lave stabilitet af komplekse blyhalogenider og toksiciteten af ​​disse forbindelser. Blyfri halvledere til solcellebatterier, for eksempel baseret på bismuth [30] og antimon , udvikles aktivt .

På grund af deres lave effektivitet, som i bedste fald når op på 20 procent, bliver solpaneler meget varme. De resterende 80 procent af sollysets energi opvarmer solpaneler til en gennemsnitstemperatur på omkring 55°C. Med en stigning i temperaturen på en fotovoltaisk celle med 1°C falder dens effektivitet med 0,5%. Aktive elementer i kølesystemer (ventilatorer eller pumper), der pumper kølemidlet, bruger en betydelig mængde energi, kræver periodisk vedligeholdelse og reducerer pålideligheden af ​​hele systemet. Passive kølesystemer har meget lav ydeevne og kan ikke klare opgaven med at køle solpaneler [36] .

Produktion af solcellemoduler

Meget ofte producerer enkelte fotoceller ikke nok strøm. Derfor samles et vist antal solcelleceller til såkaldte solcellemoduler og monteres en forstærkning mellem glaspladerne. Denne build kan fuldautomatiseres [37] .

Top 6 producenter

De største producenter af fotovoltaiske celler (efter samlet effekt) i 2020 [38] . [39]

  1. solkraft
  2. LONGi
  3. Jinko Solar
  4. Trina Solar
  5. JA Solar
  6. canadisk solenergi

Se også

Noter

  1. ↑ Perlin, John. Siliciumsolcellerne fylder 50  år . National Renewable Energy Laboratory (NREL) (august 2004).
  2. ↑ Denne måned i  fysikhistorie . www.aps.org . Hentet: 13. marts 2021.
  3. ↑ Spanien kræver, at nye bygninger bruger solenergi
  4. ↑ Lejere af huse med solpaneler får udbetalt et tilskud , Germania.one .
  5. ↑ Frankrig vil bygge 1.000 km veje med solpaneler
  6. ↑ Frankrig åbner første solpanelvej , theUK.one .
  7. ↑ Autonomt solcelledrevet trafiklys - køb i Moskva, pris . lumenstar.ru Hentet: 5. november 2019.
  8. ↑ TASS: Videnskab - Sydkoreanske videnskabsmænd har skabt et subkutant solbatteri
  9. ↑ "Solar Spectra: Air Mass Zero"
  10. ↑ "Solar Photovoltaic Technologies" (utilgængeligt link) . Dato for adgang: 7. februar 2012. Arkiveret fra originalen 26. maj 2012. 
  11. ↑ "Reference solar spektral bestråling: luftmasse 1,5"
  12. ↑ Baseret på materialer: www.ecomuseum.kz  (utilgængeligt link)
  13. ↑ p.v. magasin. Modulprisindeks  ?  _ . p.v.magazine International . Hentet: 22. februar 2021.
  14. ↑ Omkostninger til vedvarende energiproduktion i  2019 . /publications/2020/Jun/Renewable-Power-Costs-in-2019 . Hentet: 22. februar 2021.
  15. ↑ 5bb polykrystallinsk peber 156,75 mm 157 mm Mcce højeffektiv PID-resistent Tuv-certifikat Halvskåret polyprissolceller - Køb 5bb polysolcelle, 156 5bb solcellepolykrystallinsk, halvskåret solcellebab Polykrystallinsk solcelleprodukt på Ali.com . www.alibaba.com . Dato for adgang: 23. april 2021.
  16. ↑ Australiere satte en ny solpaneleffektivitetsrekord (utilgængeligt link) . membran . Membrana (28. august 2009). Hentet 6. marts 2011. Arkiveret fra originalen 25. juni 2012. 
  17. ↑ Solpaneler kommer ind på markedet med rekordeffektivitet . membran . Membrana (25. november 2010). Hentet: 6. marts 2011.
  18. ↑ Solar Junction slår verdensrekord i koncentreret solenergi med 43,5 % effektivitet
  19. ↑ Sådan koncentreres sollys uden koncentratorer
  20. ↑ Sharp har udviklet en koncentrerende fotocelle med en effektivitet på 44,4% (utilgængeligt link) . Hentet 11. juli 2013. Arkiveret fra originalen 30. marts 2014. 
  21. ↑ Ny fotocelleeffektivitetsrekord: 44,7 %
  22. ↑ FORSKERE FRA FRUNHOFER INSTITUTTET FOR SOLENERGIESYSTEMER UDVIKLEDE SOLARBATTERIER MED 46 % EFFEKTIVITET, OG DETTE ER EN NY VERDENSREKORD
  23. ↑ Ny verdensrekord for solcelleeffektivitet på 46 % - Fraunhofer ISE
  24. ↑ Helt silicium sfærisk Mie-resonator fotodiode med spektral respons i det infrarøde område
  25. ↑ B. Berland. Fotoceller går ud over horisonten: Optiske rektenner  af solarrays . US National Renewable Energy Laboratory (2003). Dato for adgang: 4. april 2015.
  26. ↑ Krasnok A E, Maksimov I S, Denisyuk A I, Belov P A, Miroshnichenko A E, Simovsky K R, Kivshar Yu S. Optical nanoantennas  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - 2013. - T. 183 , nr. 6 . — S. 561–589 . - doi : 10.3367/UFNr.0183.201306a.0561 .
  27. ↑ Alexander Dubov. Fysikere pressede yderligere energi ud af solpaneler . nplus1.ru. Hentet: 25. april 2018.
  28. ↑ Alexander Dubov. Kemikere har forlænget levetiden for varme elektroner i perovskitbatterier . nplus1.ru. Hentet: 20. juni 2018.
  29. ↑ Sofya Alimova. Russiske videnskabsmænd har udviklet et nyt materiale til solpaneler . Folkets nyheder om Rusland. Dato for adgang: 14. maj 2019.
  30. ↑ 1 2 3 Pavel A. Troshin, Vladimir P. Fedin, Maxim N. Sokolov, Keith J. Stevenson, Nadezhda N. Dremova. Polymere iodobismuthater {[Bi3I10 } og {[BiI4]} med N-heterocykliske kationer: lovende perovskit-lignende fotoaktive materialer til elektroniske enheder]  //  Journal of Materials Chemistry A. — 2019-03-12. — Bd. 7 , iss. 11 . — S. 5957–5966 . — ISSN 2050-7496 . - doi : 10.1039/C8TA09204D .
  31. ↑ Rusland har udviklet en ny halvleder til solpaneler. Det er giftfrit og meget effektivt! - Hitech . hightech.fm. Dato for adgang: 14. maj 2019.
  32. ↑ Rusland har skabt et nyt halvledermateriale til solpaneler . TASS. Dato for adgang: 14. maj 2019.
  33. ↑ Skoltech-forskere udvikler nye halvledermaterialer til elektronik . naked-science.ru. Dato for adgang: 14. maj 2019.
  34. ↑ Maksimale effektivitetsværdier for fotoceller og moduler opnået under laboratorieforhold (utilgængeligt link) . Nitol Solar Limited. Arkiveret fra originalen den 17. juli 2008. 
  35. ↑ Lapaeva Olga Fedorovna. Transformation af energisektoren i økonomien i overgangen til energibesparende teknologier og vedvarende energikilder  // Bulletin fra Orenburg State University. - 2010. - Udgave. 13 (119) .
  36. ↑ David Szondy. Stanford-forskere udvikler selvkølende solceller.  (engelsk) . gizmag.com (25. juli 2014). Hentet: 6. juni 2016.
  37. ↑ Produktion af et fotovoltaisk solcellemodul . Hentet 14. august 2011. Arkiveret fra originalen 25. juni 2012.
  38. ↑ Thomas Edison. Seneste Tier-1 solpanelliste 2020 (Q1, Q2 opdatering). solenergi gennemgang.  (engelsk)  ? . Solar Review (22. maj 2020). Dato for adgang: 20. februar 2021.
  39. ↑  Bedste solenergivirksomheder  ? (6. juli 2021). Dato for adgang: 1. oktober 2021.

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier