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.

Солнечная батарея — Википедия. Что такое Солнечная батарея

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

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

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

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 учета отопления)^[3]

^{[неавторитетный источник?]} .

В феврале 2017 года в нормандской деревне французским правительством была открыта дорога из солнечных батарей. Километровый участок дороги оборудован 2880 солнечными панелями. Такое дорожное покрытие обеспечит электроэнергией уличные фонари деревни Tourouvre-au-Perche. 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 1113 дней]}. С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9—24 %^{[источник не указан 1113 дней]}. При этом цена батареи составит около 1—3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях^{[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 фотоэлемент, использующий линзы Френеля 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].

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей,
достигнутые в лабораторных условиях^{[25][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 пленки халькогенидов
CIGS (фотоэлемент)	19,9
CIGS (субмодуль)	16,6
CdTe (фотоэлемент)	16,5
Аморфный/Нанокристаллический кремний
Si (аморфный)	9,5
Si (нанокристаллический)	10,1
Фотохимические
На базе органических красителей	10,4
На базе органических красителей (субмодуль)	7,9
Органические
Органический полимер	5,15
Многослойные
GaInP/GaAs/Ge	32,0
GaInP/GaAs	30,3
GaAs/CIS (тонкопленочный)	25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль)	11,7

Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов

Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры.

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

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

Недостатки солнечной электроэнергетики

• Необходимость использования больших площадей;
• Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в вечерних сумерках, в то время как пик электропотребления приходится именно на вечерние часы;
• Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д.^[26]

Cолнечные электростанции подвергаются критике из-за высоких издержек.

Из-за своей низкой эффективности, которая в лучшем случае достигает 20 процентов, солнечные батареи сильно нагреваются. Остальные 80 процентов энергии солнечного света нагревают солнечные батареи до средней температуры порядка 55 °C. С увеличением температуры фотогальванического элемента на 1°, его эффективность падает на 0,5 %. Эта зависимость 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^[27].

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^[28].

Пятерка крупнейших производителей

Крупнейшие производители фотоэлектрических элементов (по суммарной мощности) в 2016 году.^[29]

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»
8. ↑ «Reference Solar Spectral Irradiance: Air Mass 1.5»
9. ↑ По материалам: www.ecomuseum.kz
10. ↑ «Конкурентоспособность энергетики» // Photon Consulting
11. ↑ Виды солнечных батарей.
12. ↑ Австралийцы установили новый рекорд КПД солнечных батарей (рус.). Membrana. Membrana (28 августа 2009). Проверено 6 марта 2011. Архивировано 25 июня 2012 года.
13. ↑ На рынок выходят солнечные батареи с рекордным КПД (рус.). Membrana. Membrana (25 ноября 2010). Проверено 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 %
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). Проверено 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. nplus1.ru. Проверено 25 апреля 2018.
24. ↑ Александр Дубов. Химики продлили жизнь горячим электронам в перовскитных батареях. nplus1.ru. Проверено 20 июня 2018.
25. ↑ Максимальные значения КПД фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях  (недоступная ссылка — история). Nitol Solar Limited. Архивировано 17 июля 2008 года.
26. ↑ 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).
27. ↑ David Szondy. Stanford researchers develop self-cooling solar cells. (англ.). gizmag.com (25 July 2014). Проверено 6 июня 2016.
28. ↑ Производство фотоэлектрического солнечного модуля. Архивировано 25 июня 2012 года.
29. ↑ Bloomberg New Energy Finance Tier 1 module maker list, Q2 2016

Ссылки

Что такое солнечные батареи и как они работают – Stroim24.info

Когда деньги, вложенные в батареи, окупятся, электричество в доме будет действительно бесплатным

Заинтересованы в бесплатной электроэнергии на дачном участке или в загородном доме? Я расскажу про принцип действия и про устройство солнечной батареи, а вы сможете решить, подходит ли такое устройство для того, чтобы сделать дом или дачу энергонезависимыми.

Солнечная батарея (СБ) — это устройство, позволяющее преобразовать световую энергию солнечных лучей в электрический ток. В основе приборов применяются фотоэлементы — полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи.

Пример того, как небольшой поселок можно сделать энергонезависимым

Современные модификации солнечных батарей различаются такими параметрами, как производимая мощность и габариты. Поэтому эти устройства с одинаковым успехом применяются в самых разных конструкциях, начиная с портативных калькуляторов и оканчивая солнечными электростанциями.

На схеме показано, из чего состоит наиболее распространённая батарея солнечного света

При сборке фотоэлемента на пластину монокристаллического кремния с шириной запрещенной зоны 5 эВ наносится слой фосфора и бора. В слое кремния с добавками фосфора (катод) возникают свободные электроны. В слое кремния с бором (анод) образуются отсутствующие электроны, так называемые «дырки».

На схеме показан принцип работы кремниевого фотоэлемента, начиная с воздействия света на поверхность и оканчивая отведением тока

Когда на поверхность фотоэлемента попадает квант света, происходит движение частиц из одного слоя в другой. За счет движения частиц, высвобождается определенное количество энергии, то есть создается разность потенциалов, которую определяет интенсивность света.

Медные дорожки нескольких пластин параллельно спаиваются друг с другом

Для того чтобы высвобожденную энергию вывести с каждой отдельно взятой пластины, на поверхность фотоэлектрических преобразователей нанесены металлизированные дорожки.

Мощность собранной батареи определяется ее площадью. То есть, чем больше отдельных пластин будет закреплено на панели, тем больше электричества будет выработано.

Разновидности преобразующих панелей и их устройство

Иллюстрации	Классификация по типу солнечных элементов
	Панели с кремниевыми фотоэлементами. СБ с кремниевыми фотоэлементами это самый распространенный тип панелей (около 85% от всего объёма производимых солнечных батарей). С развитием технологий, цена таких производственных процессов, как выращивание кремния и нанесение легирующего покрытия снижается. Более того, кремний — это самый распространенный элемент в составе земной коры. Именно поэтому будущее солнечной энергетики в ближайшие 50 лет будут определять кремниевые СБ. Недостаток кремниевых СБ — это низкий коэффициент светопоглощения из-за того, что кремний не прямозонный полупроводник. В итоге фотоэлементы производятся с увеличенной толщиной, что негативно сказывается на весе устройства.
	Тонкопленочные панели. Такие СБ характеризуются более высоким коэффициентом светопреобразования, в сравнении с кремниевыми аналогами. Применение прямозонных полупроводников в качестве фотоэлементов, позволяет вырабатывать оптимальное количество энергии при толщине СБ в пару микрон. Панели с такими фотоэлементами немного весят и могут устанавливаться своими руками на крыши жилых домов, на крыши автомобилей и т.п. Существенное преимущество тонкопленочных СБ — способность эффективно работать даже в облачный день.
	Концентраторные модули. Это самые дорогие, но и самые эффективные СБ (эффективность светопреобразования около 44%). В конструкции этих фотоэлементов применены полупроводники нескольких типов, расположенные слоями в определённом порядке. Например, распространённый вариант: Ge — полупроводник подложка, GaAs — средний слой и GaInP — верхний слой. За счет особого расположения полупроводников обеспечивается эффективное усвоение солнечной энергии, как в ясную, так и в облачную погоду. Сборка СБ на основе концентраторных модулей технически сложна, а потому цена устройств высокая.
	Органические батареи. Эти панели пока что отсутствуют в продаже. Фотоэлементы в составе панелей работают по принципу фотосинтеза растений. Для этого поверхность фотоэлементов покрыта слоем светочувствительной краски. На фото — модель дерева с листьями из органических батарей.

Иллюстрации	Классификация кремниевых фотоэлементов в соответствии с типом кристалла.
	Фотоэлектрические преобразователи из монокристаллического кремния (КПД 15-20%). Основа фотоэлемента — чистый кремниевый монокристалл, выращенный из кремниевого расплава. Готовые монокристаллы имеют форму стержня, которому придается форма куба. Куб нарезается на пластины с толщиной 180 Мк. Нарезанные пластины очищаются и армируются защитным покрытием. Поверхность подвергается металлизации, после чего на нее наносится антирефлексионное покрытие.
	Фотоэлектрические преобразователи из поликристаллического кремния (КПД 10-15%). Поликристаллический кремний выращивается из остывшего кремниевого расплава. Из-за низкой температуры расплава процесс формирования стержней протекает медленно. Тем не менее, инструкция их производства проще формирования монокристаллов.
	Фотоэлектрические преобразователи из аморфного кремния (КПД 8-10%). Производство аморфного кремния выполняется по технологии испарительной фазы, а именно, кремниевая пленка крепится на несущем материале и армируется защитным покрытием. Преимущества технологии — малая себестоимость и возможность изготавливать панели большой площади. Недостаток фотоэлементов из аморфного кремния — малый эксплуатационный ресурс из-за ускоренной деградации.

Эффективное расположение

Чтобы эксплуатация батарей была наиболее эффективной, устройство должно вырабатывать электричество наибольшее количество времени в течение светового дня. Добиться максимальной эффективности использования можно за счет правильного расположения плоскости относительно траектории прохождения солнца.

Иллюстрации	Популярные способы расположения
	Статичное расположение. Солнечная панель располагается с небольшим наклоном в восточном направлении. В итоге солнечный свет будет попадать на фотоэлементы большую часть дня.
	Изменяемое расположение. Увеличение эффективности энергопреобразования возможно за счет установки панели фотоэлементов на подвижной конструкции. Благодаря такому решению плоскость, в зависимости от положения солнца, будет менять угол наклона. Впрочем, такое решение применяется нечасто, так как из-за монтажа и эксплуатации электропривода увеличивается цена системы в целом.

Интеграция солнечных батарей в электрическую сеть

Солнечная батарея (СБ) вырабатывает электрический ток, но для того чтобы постоянное напряжение применить в быту, его нужно трансформировать в переменный ток и пустить в сеть или аккумулировать для последующего применения.

На фото показан автомобильный инвертор, преобразующий постоянный ток (12 В) в переменный ток с параметрами бытовой электросети (50 Гц, 220 В)

Для трансформирования постоянного напряжения в переменное, применяется специальное оборудование — инвертор. На вход устройства подаётся постоянное напряжение, а на выходе получается переменный ток с требуемой частотной характеристикой и необходимой мощностью.

Аккумуляторы для бытовой солнечной электростанции — для удобства монтажа по бокам предусмотрены кронштейны для стойки

Для накопления электроэнергии применяются свинцово-кислотные аккумуляторы. Обратите внимание на то, что солнечные панели комплектуются специальными аккумуляторами, которые по рабочим параметрам и по конструкции отличаются от обычных автомобильных аккумуляторов.

Подведем итоги

Теперь вы знаете, как работают солнечные батареи и как они устроены. Интересующие подробности можно найти, посмотрев видео в этой статье. Если остались вопросы, их можно задать в комментариях.

Поделитесь с друзьями в соц.сетях

Facebook

Twitter

Google+

Telegram

Vkontakte

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
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

СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ — это… Что такое СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ?



СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ

СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ (батарея солнечных элементов), устройство, преобразующее энергию солнечного света непосредственно в ЭЛЕКТРИЧЕСТВО. Обычно состоит из кристалла кремния р-типа, покрытого кристаллом п-типа (см. ПОЛУПРОВОДНИК). Световое излучение вызывает высвобождение электронов и создает РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ, так что ток может течь между электродами, присоединенными к этим двум кристаллам. Все волны, длиной короче одного микрометра, могут вырабатывать электрическую энергию. Солнечные батареи преобразуют в полезную энергию около 10% солнечного света. Они часто используются в качестве элементов питания в небольших электронных устройствах типа карманного калькулятора. Панели из нескольких тысяч батарей могут вырабатывать энергию мощностью несколько сотен ватт. см. также СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ.

Солнечный (фотогальванический) элемент (А) состоит из двух кремниевых полупроводников, расположенных между металлическими контактами, защищенными решеткой. Один из кремниевых полупроводников накапливает положительные заряды (1), а другой — отрицательные (2), создавая разность электрических потенциалов. Когда фотоны света попадают на р-л переход между полупроводниками (4), они смещают электроны, присоединенные к положительному полупроводнику. Металлические контакты (5) соединяют две заряженные области, используя разность потенциалов и создавая электрический ток.

Научно-технический энциклопедический словарь.

• СОЛК
• СОЛНЕЧНАЯ ПОСТОЯННАЯ

Смотреть что такое «СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ» в других словарях:

• Солнечная батарея — Солнечная батарея. Гелиоустановка с полупроводниковыми солнечными батареями в системе электроснабжения жилого дома. СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ, источник тока на основе полупроводниковых фотоэлементов; непосредственно преобразует энергию солнечной радиации …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

• СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ — (батарея солнечных элементов) устройство …   Физическая энциклопедия

• СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ — см. в ст. Солнечные элементы …   Большой Энциклопедический словарь

• солнечная батарея — Устройство для выработки электроэнергии в результате поглощения и преобразования солнечной радиации. Syn.: солнечный коллектор …   Словарь по географии

• Солнечная батарея — Дерево из солнечных панелей в Глайсдорфе Солнечная батарея бытовой термин, используемый в разговорной речи или ненаучной прессе. Обычно под термином «солнечная батарея» или «солнечная …   Википедия

• солнечная батарея — (батарея солнечных элементов), устройство, в котором происходит непосредственное преобразование солнечного излучения в электрическую энергию с помощью фотоэлементов. Солнечная батарея состоит из многих (до нескольких десятков и сотен тысяч)… …   Энциклопедия техники

• солнечная батарея — см. Солнечные элементы. * * * СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ, см. в ст. Солнечные элементы (см. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ) …   Энциклопедический словарь

• солнечная батарея — saulės baterija statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. solar array; solar battery vok. Solarbatterie, f; Solarzellenbatterie, f; Sonnenbatterie, f rus. солнечная батарея, f pranc. batterie solaire, f; pile solaire, f …   Automatikos terminų žodynas

• солнечная батарея — saulės baterija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Įtaisas, paverčiantis Saulės spinduliuotės energiją elektros energija. atitikmenys: angl. solar battery vok. Sonnenbatterie, f rus. солнечная батарея, f pranc.… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

• солнечная батарея — saulės baterija statusas T sritis chemija apibrėžtis Įrenginys, paverčiantis Saulės spinduliuotės energiją elektros energija. atitikmenys: angl. solar battery rus. солнечная батарея …   Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

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

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

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

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 учета отопления)^[3]

^{[неавторитетный источник?]} .

В феврале 2017 года в нормандской деревне французским правительством была открыта дорога из солнечных батарей. Километровый участок дороги оборудован 2880 солнечными панелями. Такое дорожное покрытие обеспечит электроэнергией уличные фонари деревни Tourouvre-au-Perche. 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 1118 дней]}. С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9—24 %^{[источник не указан 1118 дней]}. При этом цена батареи составит около 1—3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях^{[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 фотоэлемент, использующий линзы Френеля 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].

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей,
достигнутые в лабораторных условиях^{[25][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 пленки халькогенидов
CIGS (фотоэлемент)	19,9
CIGS (субмодуль)	16,6
CdTe (фотоэлемент)	16,5
Аморфный/Нанокристаллический кремний
Si (аморфный)	9,5
Si (нанокристаллический)	10,1
Фотохимические
На базе органических красителей	10,4
На базе органических красителей (субмодуль)	7,9
Органические
Органический полимер	5,15
Многослойные
GaInP/GaAs/Ge	32,0
GaInP/GaAs	30,3
GaAs/CIS (тонкопленочный)	25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль)	11,7

Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов

Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры.

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

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

Недостатки солнечной электроэнергетики

• Необходимость использования больших площадей;
• Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в вечерних сумерках, в то время как пик электропотребления приходится именно на вечерние часы;
• Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д.^[26]

Cолнечные электростанции подвергаются критике из-за высоких издержек.

Из-за своей низкой эффективности, которая в лучшем случае достигает 20 процентов, солнечные батареи сильно нагреваются. Остальные 80 процентов энергии солнечного света нагревают солнечные батареи до средней температуры порядка 55 °C. С увеличением температуры фотогальванического элемента на 1°, его эффективность падает на 0,5 %. Эта зависимость 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^[27].

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^[28].

Пятерка крупнейших производителей

Крупнейшие производители фотоэлектрических элементов (по суммарной мощности) в 2016 году.^[29]

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»
8. ↑ «Reference Solar Spectral Irradiance: Air Mass 1.5»
9. ↑ По материалам: www.ecomuseum.kz
10. ↑ «Конкурентоспособность энергетики» // Photon Consulting
11. ↑ Виды солнечных батарей.
12. ↑ Австралийцы установили новый рекорд КПД солнечных батарей (рус.). Membrana. Membrana (28 августа 2009). Проверено 6 марта 2011. Архивировано 25 июня 2012 года.
13. ↑ На рынок выходят солнечные батареи с рекордным КПД (рус.). Membrana. Membrana (25 ноября 2010). Проверено 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 %
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). Проверено 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. nplus1.ru. Проверено 25 апреля 2018.
24. ↑ Александр Дубов. Химики продлили жизнь горячим электронам в перовскитных батареях. nplus1.ru. Проверено 20 июня 2018.
25. ↑ Максимальные значения КПД фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях  (недоступная ссылка — история). Nitol Solar Limited. Архивировано 17 июля 2008 года.
26. ↑ 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).
27. ↑ David Szondy. Stanford researchers develop self-cooling solar cells. (англ.). gizmag.com (25 July 2014). Проверено 6 июня 2016.
28. ↑ Производство фотоэлектрического солнечного модуля. Архивировано 25 июня 2012 года.
29. ↑ Bloomberg New Energy Finance Tier 1 module maker list, Q2 2016

Ссылки

СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ — это… Что такое СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ?

(батарея солнечных элементов) — устройство, фотоэффекта. Наиб, применение получили конструкции СЭ с р-п-переходами и гетеропереходами, представляющие собой плоскую (базовую) полупроводниковуюпластину с тонким фронтальным слоем полупроводника, имеющего тип проводимости, носители заряда, к-рые перемещаются под действиемэлектрич. поля р —re-перехода и создают на внеш. выводах фотоэдс.

Основные параметры солнечных элементов. При отсутствии внеш. нагрузкинапряжение на выводах СЭ максимально и наз. напряжением холостого хода U _ХХ.В замкнутом накоротко фотоэлементе потечёт макс. фототок I _кз— ток короткого замыкания. При наличии внеш. нагрузки величины напряжения U_H на нагрузке и тока I_H меньше значений U_XX и I _кз соответственно. Величина наз. фактором заполнения нагрузочной характеристики.

Важнейшим параметром СЭ является его кпд (или эффективность преобразованияэнергии солнечного излучения в электрическую), где Р _с — мощность солнечного излучения, падающего наповерхность СЭ. Эффективность СЭ определяется тем, что часть солнечногоизлучения с энергией фотона, меньшей ширины запрещённой зоны полупроводника, проходит через СЭ без поглощения и в фотоэлектрич. отношенииявляется бесполезной. Чем меньше ширина запрещённой зоны, тем большая долясолнечного света поглощается в нём.

Др. важная причина снижения кпд СЭ — неполное использование энергиипоглощённых фотонов. При генерации электронно-дырочных пар фотонами с энергией,

Осн. причинами дополнит. потерь, уменьшающих практически достижимыезначения кпд, являются отражение части светового потока от поверхностиСЭ (коэф. отражения для полупроводников, применяемых в СЭ, составляет ок.30% и 3-5% при использовании просветляющих покрытий) и рекомбинац. потери, р-re-перехода, рекомбинирует, а их энергия передаётся решётке полупроводника(см. Рекомбинация носителей заряда). В фотоэлементах с р — п- переходамисущественны потери за счёт поверхностной рекомбинации, особенно для носителей, Энергетич. характеристики С. б. определяются материалом фотоэлемента, Полупроводниковыематериалы). Наиб. высокий кпд получен в СЭ на основе Si (17% при освещениив земных условиях) и в СЭ на основе GaAs (22%). Конструктивно С. б. обычновыполняют в виде плоской панели и СЭ, защищённых прозрачными покрытиями. 2, ток С. б. — сотен А, напряжение — сотен В, генерируемаямощность — неск. десятков и сотен кВт.

Увеличение кпд может быть получено в каскадных СЭ с неск. р —re-переходамив полупроводниках с разл. шириной запрещённой зоны. Солнечный спектр можетбыть расщеплён либо селективными зеркалами, либо посредством расположениянеск. СЭ один за другим с убыванием ширины запрещённой зоны СЭ по ходусолнечных лучей. Расчётные значения кпд для двухкаскадных СЭ достигают45%. Осн. перспективы в реализации монолитных конструкций каскадных СЭзаключаются в трудности осуществления последоват. соединения верхнего инижнего элементов без внесения дополнит. омических и оптич. потерь.

Достоинства С. б.- их простота, надёжность и долговечность, малая массаи миниатюрность СЭ, генерирование энергии без загрязнения окружающей среды;осн. недостаток — высокая стоимость. Применяются на космич. летат. аппаратах, Лит.: Васильев А. М., Ландсман А. П., Полупроводниковые фотопреобразователи, элементы, М., 1987. В. М. Андреев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.