Solbatteri

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 31 juli 2022; verifiering kräver 1 redigering .

Solbatteri , solpanel  - en kombination av fotoelektriska omvandlare ( fotoceller ) - halvledarenheter som direkt omvandlar solenergi till elektrisk likström , i motsats till solfångare som värmer värmeöverföringsmaterialet .

Olika enheter som tillåter omvandling av solstrålning till termisk och elektrisk energi är föremål för forskning inom solenergi (från grekiskans helios Ήλιος , Helios - "Sol"). Produktionen av solceller och solfångare utvecklas i olika riktningar. Solpaneler finns i en mängd olika storlekar, från de som är inbyggda i miniräknare till att ockupera tak på bilar och byggnader.

Vanligtvis består ett solkraftverk av en eller flera solpaneler, en växelriktare och i vissa fall ett batteri och en solfångare.

Historik

År 1842 upptäckte Alexandre Edmond Becquerel effekten av att omvandla ljus till elektricitet. Charles Fritts började använda selen för att förvandla ljus till elektricitet .  De första prototyperna av solceller skapades av den italienske fotokemisten Giacomo Luigi Chamician .

Den 25 april 1948 tillkännagav specialister från Bell Laboratories skapandet av de första kiselbaserade solcellerna för att producera elektrisk ström. Denna upptäckt gjordes av tre företagsanställda - Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin och Gerald Pearson. Effektiviteten för deras solbatteri var 6 % [1] . Under presskonferensen fungerade batteriet framgångsrikt som en strömkälla för ett leksak "pariserhjul" och en radiosändare [2] . Redan 10 år senare, den 17 mars 1958, lanserades en satellit i USA med hjälp av solpaneler - Avangard-1 . Den 15 maj 1958 lanserade Sovjetunionen också en satellit med hjälp av solpaneler - Sputnik-3 .

Typer av solceller

Tre typer av solceller. Var och en av dessa typer av solceller är gjorda på ett unikt sätt och har en annan estetik.

  1. monokristallin
  2. Polykristallin
  3. Tunnfilmssolpaneler

Användning

Bärbar elektronik

För att tillhandahålla el och/eller ladda batterier av olika hemelektronik - miniräknare, spelare, ficklampor, etc.

Elbilar

För laddning av elfordon .

Aviation

Ett av projekten för att skapa ett flygplan som enbart använder solenergi är Solar Impulse .

Energiförsörjning av byggnader

Stora solceller, som solfångare, används ofta i tropiska och subtropiska områden med ett stort antal soliga dagar. Särskilt populära i Medelhavsländerna , där de placeras på hustaken.

Nya spanska hem har utrustats med solvärmare sedan mars 2007 för att ge mellan 30 % och 70 % av deras varmvattenbehov, beroende på bostadens läge och förväntade vattenförbrukning. Icke-bostadshus (köpcentrum, sjukhus etc.) måste ha solcellsutrustning [ 3] .

För närvarande orsakar övergången till solpaneler mycket kritik bland människor. Detta beror på ökningen av elpriserna, röran i det naturliga landskapet. Motståndare till övergången till solpaneler kritiserar en sådan övergång, eftersom ägarna av hus och mark som solpaneler och vindkraftsparker installeras på får subventioner från staten, medan vanliga hyresgäster inte får det. I detta avseende har det tyska federala ekonomiministeriet utvecklat ett lagförslag som gör det möjligt att inom en snar framtid införa förmåner för hyresgäster som bor i hus som förses med energi från solcellsanläggningar eller blockerar värmekraftverk. Tillsammans med utbetalning av subventioner till ägare av hus som använder alternativa energikällor, planeras att betala ut subventioner till hyresgäster som bor i dessa hus. [fyra]

Energiförsörjning av bosättningar

Vägyta

Solpaneler som vägyta :

Använd i rymden

Solpaneler är ett av de viktigaste sätten att få elektrisk energi på rymdfarkoster : de arbetar under lång tid utan att förbruka något material, och samtidigt är de miljövänliga, till skillnad från kärnkrafts- och radioisotopenergikällor .

Men när man flyger på ett stort avstånd från solen blir deras användning problematisk, eftersom solenergiflödet är omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet från solen. På Mars är kraften hos solpaneler hälften av den på jorden, och nära de avlägsna planeterna hos solsystemets jättar sjunker kraften så mycket att det gör solpaneler nästan helt värdelösa. När man flyger till de inre planeterna , Venus och Merkurius , ökar kraften hos solbatterier tvärtom avsevärt: i Venus-regionen med 2 gånger och i Merkurius-regionen med 6 gånger.

Medicinsk användning

Sydkoreanska forskare har utvecklat en subkutan solcell. En energikälla i miniatyr kan implanteras under huden på en person för att säkerställa en smidig funktion av enheter som implanteras i kroppen, såsom en pacemaker. Ett sådant batteri är 15 gånger tunnare än ett hårstrå och kan laddas om även om solskyddsmedel appliceras på huden [8] .

Effektivitet av fotoceller och moduler

Effekten av solstrålningsflödet vid ingången till jordens atmosfär (AM0) är cirka 1366 watt [9] per kvadratmeter (se även AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D [10] [11] ) . Samtidigt kan den specifika effekten av solstrålning i Europa i mycket molnigt väder, även under dagen, vara mindre än 100 W/m² [12] . . Med hjälp av vanliga kommersiellt producerade solceller är det möjligt att omvandla denna energi till el med en verkningsgrad på 9-24 % . 2020 har priset på solpaneler sjunkit till 0,15 - 0,33 USD/W, beroende på panelens typ och effekt [13] . År 2019 nådde kostnaden för el från industriella solstationer 0,068 USD per kWh [14] . 2021 har grossistpriset på solceller minskat till 0,07 - 0,08 USD/W [15] .

Fotoceller och moduler är indelade beroende på typ och är: monokristallina, polykristallina, amorfa (flexibla, film).

2009 visade Spectrolab (ett dotterbolag till Boeing) en solcell med en verkningsgrad på 41,6 % [16] . I januari 2011 förväntades solceller från detta företag komma in på marknaden med en verkningsgrad på 39 % [17] . 2011 uppnådde Kalifornien-baserade Solar Junction en verkningsgrad på 43,5 % för en 5,5x5,5 mm fotocell, en ökning med 1,2 % från det tidigare rekordet [18] .

2012 skapade Morgan Solar Sun Simba-systemet av polymetylmetakrylat (plexiglas), germanium och galliumarsenid genom att kombinera en koncentrator med en panel på vilken en fotocell är monterad. Systemets effektivitet vid ett stationärt läge av panelen var 26-30 % (beroende på tid på året och vinkeln vid vilken solen befinner sig), dubbelt så mycket som den praktiska effektiviteten hos fotoceller baserade på kristallint kisel [19] .

2013 skapade Sharp en trelagers fotocell i storleken 4 × 4 mm baserad på indiumgalliumarsenid med en verkningsgrad på 44,4 % [20] , och en grupp specialister från Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, Soitec, CEA-Leti och Berlin Center uppkallat efter Helmholtz skapade de en fotocell med Fresnel-linser med en effektivitet på 44,7 %, vilket överträffade deras egen prestation på 43,6 % [21] . År 2014 skapade Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems solbatterier, där effektiviteten var 46 % på grund av fokuseringen av ljus på en mycket liten fotocell av en lins [22][23] .

2014 utvecklade spanska forskare en fotovoltaisk kiselcell som kan omvandla infraröd strålning från solen till elektricitet [24] .

En lovande riktning är skapandet av fotoceller baserade på nanoantenner , som arbetar på direkt likriktning av strömmar inducerade i en liten antenn (i storleksordningen 200–300 nm) av ljus (det vill säga elektromagnetisk strålning med en frekvens på cirka 500 THz) . Nanoantenner kräver inga dyra råvaror för produktion och har en potentiell effektivitet på upp till 85 % [25] [26] .

Under 2018, med upptäckten av den flexo-fotovoltaiska effekten, upptäcktes möjligheten att öka effektiviteten hos fotovoltaiska celler [27] . På grund av förlängningen av livslängden för heta bärare (elektroner) har den teoretiska gränsen för deras effektivitet stigit från 34 till 66 procent på en gång [28] .

Under 2019 ryska forskare från Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) , Institutet för oorganisk kemi. A.V. Nikolaev från den sibiriska grenen av den ryska vetenskapsakademin (SB RAS) och Institute of Problems of Chemical Physics av ​​RAS fick ett i grunden nytt halvledarmaterial för solceller, utan de flesta bristerna hos material som används idag [29] . En grupp ryska forskare publicerade i tidskriften Journal of Materials Chemistry A [30] resultaten av deras arbete med användningen av ett nytt halvledarmaterial utvecklat av dem för solceller - en komplex polymer vismutjodid ({[Bi 3 ) I 10 ]} och {[BiI 4 ]} ), strukturellt liknande mineralet perovskit (naturligt kalciumtitanat), som visade en rekordstor omvandlingshastighet av ljus till elektricitet. [30] [31] Samma grupp av forskare skapade en andra liknande halvledare baserad på komplex antimonbromid med en perovskitliknande struktur. [32] [33]

Maximala effektivitetsvärden för fotoceller och moduler
uppnådda under laboratorieförhållanden [34]
Sorts Fotoelektrisk omvandlingsfaktor, %
Kisel 24.7
Si (kristallin)
Si (polykristallint)
Si (tunn filmöverföring)
Si (tunnfilmsundermodul) 10.4
III-V
GaAs (kristallin) 25.1
GaAs (tunn film) 24.5
GaAs (polykristallint) 18.2
InP (kristallint) 21.9
Tunna filmer av kalkogenider
CIGS (fotocell) 19.9
CIGS (undermodul) 16.6
CdTe (fotocell) 16.5
Amorft/Nanokristallint kisel
Si (amorf) 9.5
Si (nanokristallint) 10.1
Fotokemisk
Baserat på organiska färgämnen 10.4
Baserat på organiska färgämnen (undermodul) 7.9
organisk
organisk polymer 5.15
Flerlager
GaInP/GaAs/Ge 32,0
GaInP/GaAs 30.3
GaAs/CIS (tunn film) 25.8
a-Si/mc-Si (tunn undermodul) 11.7

Faktorer som påverkar effektiviteten hos solceller

Funktioner i strukturen hos fotoceller orsakar en minskning av panelernas prestanda med ökande temperatur.

Partiell nedbländning av panelen orsakar ett fall i utspänningen på grund av förluster i det släckta elementet, vilket börjar fungera som en parasitisk belastning. Denna nackdel kan elimineras genom att installera en bypass på varje fotocell i panelen. I molnigt väder, i frånvaro av direkt solljus, blir paneler som använder linser för att koncentrera strålning extremt ineffektiva, eftersom effekten av linsen försvinner.

Det kan ses av solcellspanelens driftkarakteristik att för att uppnå största effektivitet krävs det korrekta valet av belastningsmotståndet. För att göra detta ansluts inte solcellspanelerna direkt till belastningen, utan använder en styrenhet för solcellssystemet som säkerställer optimal drift av panelerna.

Nackdelar med solenergi

Solkraftverk kritiseras på grund av höga kostnader, såväl som den låga stabiliteten hos komplexa blyhalogenider och toxiciteten hos dessa föreningar. Blyfria halvledare för solbatterier, till exempel baserade på vismut [30] och antimon , utvecklas aktivt .

På grund av deras låga verkningsgrad, som i bästa fall når 20 procent, blir solpaneler väldigt varma. De återstående 80 procenten av solljusets energi värmer upp solpaneler till en medeltemperatur på cirka 55°C. Med en ökning av temperaturen på en solcellscell med 1°C sjunker dess effektivitet med 0,5 %. Aktiva delar av kylsystem (fläktar eller pumpar) som pumpar köldmediet förbrukar en betydande mängd energi, kräver periodiskt underhåll och minskar tillförlitligheten hos hela systemet. Passiva kylsystem har mycket låg prestanda och klarar inte av uppgiften att kyla solpaneler [36] .

Produktion av solcellsmoduler

Mycket ofta producerar enstaka fotoceller inte tillräckligt med ström. Därför kombineras ett visst antal solcellsceller till så kallade solcellsmoduler och en förstärkning monteras mellan glasplattorna. Denna konstruktion kan vara helt automatiserad [37] .

Topp 6 tillverkare

De största tillverkarna av solcellsceller (i total effekt) 2020 [38] . [39]

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

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Perlin, John. Silicon Solar Cells fyller 50 år  . National Renewable Energy Laboratory (NREL) (augusti 2004).
  2. ↑ Denna månad i  fysikhistoria . www.aps.org . Hämtad: 13 mars 2021.
  3. ↑ Spanien kräver att nya byggnader använder solenergi
  4. ↑ Hyresgäster av hus med solpaneler kommer att få ett bidrag , Germania.one .
  5. ↑ Frankrike kommer att bygga 1 000 km vägar med solpaneler
  6. ↑ Frankrike öppnar första solpanelvägen , theUK.one .
  7. ↑ Autonomt soldrivet trafikljus - köp i Moskva, pris . lumenstar.ru Hämtad: 5 november 2019.
  8. ↑ TASS: Vetenskap - Sydkoreanska forskare har skapat ett subkutant solbatteri
  9. ↑ "Solar Spectra: Air Mass Zero"
  10. ↑ "Solar Photovoltaic Technologies" (inte tillgänglig länk) . Datum för åtkomst: 7 februari 2012. Arkiverad från originalet den 26 maj 2012. 
  11. ↑ "Referens Solar Spectral Irradians: Air Mass 1,5"
  12. ↑ Baserat på material: www.ecomuseum.kz  (otillgänglig länk)
  13. ↑ p.v. magasin. Modulprisindex  ?  _ . p.v.magazine International . Hämtad: 22 februari 2021.
  14. ↑ Kostnader för förnybar kraftproduktion  2019 . /publications/2020/Jun/Renewable-Power-Costs-in-2019 . Hämtad: 22 februari 2021.
  15. ↑ 5bb polykristallin peppar 156,75 mm 157 mm Mcce högeffektiv PID-beständig Tuv-certifikat Half Cut Poly Price Solar Cells - Köp 5bb Poly Solar Cell, 156 5bb Solar Cell Polycrystalline, Half Cut Solar Cell bab Polycrystalline Solarcell Right Angle Product on Ali.com . www.alibaba.com . Tillträdesdatum: 23 april 2021.
  16. ↑ Australiensare satte nytt rekord för solpanelseffektivitet (otillgänglig länk) . membran . Membrana (28 augusti 2009). Hämtad 6 mars 2011. Arkiverad från originalet 25 juni 2012. 
  17. ↑ Solpaneler kommer in på marknaden med rekordeffektivitet . membran . Membrana (25 november 2010). Hämtad: 6 mars 2011.
  18. ↑ Solar Junction slår koncentrerat solvärldsrekord med 43,5 % effektivitet
  19. ↑ Hur man koncentrerar solljus utan koncentratorer
  20. ↑ Sharp har utvecklat en koncentrerande fotocell med en verkningsgrad på 44,4 % (otillgänglig länk) . Hämtad 11 juli 2013. Arkiverad från originalet 30 mars 2014. 
  21. ↑ Nytt fotocelleffektivitetsrekord: 44,7 %
  22. ↑ FORSKARE FRÅN FRUNHOFER INSTITUTE FOR SOLAR ENERGY SYSTEMS UTVECKLADE SOLBATTERIER MED 46 % EFFEKTIVITET OCH DETTA ÄR ETT NYTT VÄRLDSREKORD
  23. ↑ Nytt världsrekord för solcellseffektivitet på 46 % - Fraunhofer ISE
  24. ↑ Helkisel sfärisk Mie-resonator fotodiod med spektral respons i det infraröda området
  25. ↑ B. Berland. Photocells Go Beyond the Horizon: Optical Rectennas of Solar Arrays  . US National Renewable Energy Laboratory (2003). Tillträdesdatum: 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. Fysiker pressade ut ytterligare energi ur solpaneler . nplus1.ru. Hämtad: 25 april 2018.
  28. ↑ Alexander Dubov. Kemister har förlängt livslängden för heta elektroner i perovskitbatterier . nplus1.ru. Hämtad: 20 juni 2018.
  29. ↑ Sofya Alimova. Ryska forskare har utvecklat ett nytt material för solpaneler . Folkets nyheter om Ryssland. Tillträdesdatum: 14 maj 2019.
  30. ↑ 1 2 3 Pavel A. Troshin, Vladimir P. Fedin, Maxim N. Sokolov, Keith J. Stevenson, Nadezhda N. Dremova. Polymera jodobismuthater {[Bi3I10 } och {[BiI4]} med N-heterocykliska katjoner: lovande perovskitliknande fotoaktiva material för elektroniska enheter]  //  Journal of Materials Chemistry A. - 2019-03-12. — Vol. 7 , iss. 11 . — S. 5957–5966 . — ISSN 2050-7496 . - doi : 10.1039/C8TA09204D .
  31. ↑ Ryssland har utvecklat en ny halvledare för solpaneler. Det är giftfritt och väldigt effektivt! - Hitech . hightech.fm. Tillträdesdatum: 14 maj 2019.
  32. ↑ Ryssland har skapat ett nytt halvledarmaterial för solpaneler . TASS. Tillträdesdatum: 14 maj 2019.
  33. ↑ Skoltech-forskare utvecklar nya halvledarmaterial för elektronik . naked-science.ru. Tillträdesdatum: 14 maj 2019.
  34. ↑ Maximala effektivitetsvärden för fotoceller och moduler uppnådda under laboratorieförhållanden (otillgänglig länk) . Nitol Solar Limited. Arkiverad från originalet den 17 juli 2008. 
  35. ↑ Lapaeva Olga Fedorovna. Omvandling av ekonomins energisektor i övergången till energibesparande teknik och förnybara energikällor  // Bulletin of the Orenburg State University. - 2010. - Utgåva. 13 (119) .
  36. ↑ David Szondy. Stanford-forskare utvecklar självkylande solceller.  (engelska) . gizmag.com (25 juli 2014). Hämtad: 6 juni 2016.
  37. ↑ Produktion av en solcellsmodul . Hämtad 14 augusti 2011. Arkiverad från originalet 25 juni 2012.
  38. ↑ Thomas Edison. Senaste Tier-1 Solar Panels List 2020 (Q1, Q2 uppdatering). solenergirecension.  (engelska)  ? . Solar Review (22 maj 2020). Tillträdesdatum: 20 februari 2021.
  39. ↑  Bästa solenergiföretag  ? (6 juli 2021). Tillträdesdatum: 1 oktober 2021.

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk