Солнечная батарея

Со́лнечная батаре́я — объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.

Не следует путать с солнечным коллектором.
Дерево из солнечных панелей в Глайсдорфе (Австрия)

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.

Обычно, в состав солнечной электростанции входит одна или более солнечная панель, инвертор, и так же в некоторых случаях аккумулятор и солнечный трекер.

История

В 1842 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 1948 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). Эффективность их солнечной батареи составила 6%[1]. Во время пресс-конференции батарея успешно служила источником энергии для игрушечного "колеса обозрения" и радиопередатчика[2]. Уже через 10 лет, 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».

Типы солнечных батарей

Три типа солнечных батарей. Каждый из этих типов солнечных элементов сделан уникальным способом и имеет разный эстетический вид.

  1. Монокристаллический
  2. Поликристаллический
  3. Тонкопленочные солнечные батареи

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
Солнечные батареи на крыше коровника кибуца Гезер (Израиль)
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[3].

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 ветряные 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.[4]

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)[5] .
  • 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.[6]
  • Также используется для питания автономных светофоров на дорогах[7]

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 их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. На Марсе мощность солнечных батарей вдвое меньше чем на Земле, а около дальних планет гигантов солнечной системы мощность падает настолько, что делает солнечные батареи почти полностью бесполезными. При полётах же к внутренним планетам, Венере и Меркурию, мощность солнечных батарей напротив, значительно возрастает: в районе Венеры в 2 раза, а 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[8].

Эффективность фотоэлементов и модулей

Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли (AM0), составляет около 1366 ватт[9] на квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D[10][11]). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может[12] быть менее 100 Вт/м². С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9—24 %. В 2020 году, цена на солнечные панели упала до 0,15 - 0,33 долл/Вт, в зависимости от типа и мощности панели[13]. В 2019 году, себестоимость электричества, генерируемая промышленными солнечными станциями, достигла 0,068 USD за кВт*ч[14]. В 2021 году оптовая цена на солнечные элементы снизилась до 0,07 - 0, 08 долл/Вт[15].

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

В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %[16]. В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с эффективностью 39 %[17]. 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[18].

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[19].

В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4×4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 %[20], 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 % [21]. В 2014 году Институт солнечных энергосистем Фраунгофер создали солнечные батареи, в которых благодаря фокусировке линзой света на очень маленьком фотоэлементе КПД составил 46 %[22][23].

В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца[24].

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 %[25][26].

Также, в 2018 году, с открытием флексо-фотовольтаического эффекта, обнаружена возможность увеличения КПД фотоэлементов[27]. За счёт продления жизни горячих носителей (электронов) теоретический предел их эффективности поднялся с 34 сразу до 66 процентов[28].

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[29]. Группа российских исследователей опубликовала в журнале Journal of Materials Chemistry A[30] 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.[30][31] Та же группа учёных создала второй аналогичный полупроводник на основе комплексного бромида сурьмы с перовкситоподобной структурой.[32][33]

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей,
достигнутые в лабораторных условиях[34]
Тип Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
Кремниевые24,7
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 красителей10,4
На базе органических красителей (субмодуль)7,9
Органические
Органический полимер5,15
Многослойные
GaInP/GaAs/Ge32,0
GaInP/GaAs30,3
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 могут содержать ядовитые вещества[35].

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[30] 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 %. 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[36].

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[37].

Шестерка крупнейших производителей

Крупнейшие производители фотоэлектрических элементов (по суммарной мощности) в 2020 году[38].[39]

  1. SunPower
  2. LONGi
  3. Jinko Solar
  4. Trina Solar
  5. JA Solar
  6. Canadian Solar

См. также

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

Ссылки


This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.