Baterie solară

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 31 iulie 2022; verificarea necesită 1 editare .

Baterie solară , panou solar  - o combinație de convertoare fotoelectrice ( fotocelule ) - dispozitive semiconductoare care transformă direct energia solară în curent electric direct , spre deosebire de colectoarele solare care încălzesc materialul de transfer de căldură .

Diverse dispozitive care permit transformarea radiației solare în energie termică și electrică fac obiectul cercetării în domeniul energiei solare (din grecescul helios Ήλιος , Helios - „Soarele”). Producția de celule fotovoltaice și colectoare solare se dezvoltă în direcții diferite. Panourile solare vin într-o varietate de dimensiuni, de la cele încorporate în calculatoare până la ocuparea acoperișurilor mașinilor și clădirilor.

De obicei, o centrală solară constă din unul sau mai multe panouri solare, un invertor și, în unele cazuri, o baterie și un tracker solar.

Istorie

În 1842, Alexandre Edmond Becquerel a descoperit efectul transformării luminii în electricitate. Charles Fritts a început să folosească seleniul pentru a transforma lumina în electricitate .  Primele prototipuri de celule solare au fost create de fotochimistul italian Giacomo Luigi Chamician .

Pe 25 aprilie 1948 , specialiștii de la Laboratoarele Bell au anunțat crearea primelor celule solare pe bază de siliciu care produc curent electric. Această descoperire a fost făcută de trei angajați ai companiei - Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin și Gerald Pearson. Eficiența bateriei lor solare a fost de 6% [1] . În timpul conferinței de presă, bateria a servit cu succes ca sursă de energie pentru o jucărie „Roata Feris” și un transmițător radio [2] . Deja 10 ani mai târziu, pe 17 martie 1958, un satelit a fost lansat în SUA folosind panouri solare - Avangard-1 . Pe 15 mai 1958, URSS a lansat și un satelit folosind panouri solare - Sputnik-3 .

Tipuri de celule solare

Trei tipuri de celule solare. Fiecare dintre aceste tipuri de celule solare este realizat într-un mod unic și are o estetică diferită.

  1. monocristalină
  2. Policristalină
  3. Celule solare cu peliculă subțire

Utilizare

Electronice portabile

Pentru a furniza energie electrică și/sau reîncărcare bateriilor diverselor electronice de larg consum - calculatoare, playere, lanterne etc.

Mașini electrice

Pentru reincarcarea vehiculelor electrice .

Aviație

Unul dintre proiectele de creare a unei aeronave care folosește doar energie solară este Solar Impulse .

Alimentarea cu energie a clădirilor

Celulele solare de dimensiuni mari, cum ar fi colectoarele solare, sunt utilizate pe scară largă în regiunile tropicale și subtropicale cu un număr mare de zile însorite. Mai ales populare în țările mediteraneene , unde sunt plasate pe acoperișurile caselor.

Noile locuințe spaniole au fost echipate cu încălzitoare solare de apă din martie 2007 pentru a asigura între 30% și 70% din necesarul de apă caldă, în funcție de locația locuinței și de consumul estimat de apă. Clădirile nerezidențiale (centre comerciale, spitale etc.) trebuie să aibă echipamente fotovoltaice [3] .

În prezent, trecerea la panouri solare provoacă multe critici în rândul oamenilor. Acest lucru se datorează creșterii prețurilor la energie electrică, dezordinei peisajului natural. Oponenții trecerii la panouri solare critică o astfel de tranziție, întrucât proprietarii de case și terenuri pe care sunt instalate panouri solare și parcuri eoliene primesc subvenții de la stat, în timp ce chiriașii obișnuiți nu. În acest sens, Ministerul Federal German al Economiei a elaborat un proiect de lege care va permite în viitorul apropiat introducerea de beneficii pentru chiriașii care locuiesc în case care sunt asigurate cu energie din instalații fotovoltaice sau bloc centrale termice. Odată cu plata subvențiilor către proprietarii de locuințe care utilizează surse alternative de energie, se preconizează și plata subvențiilor chiriașilor care locuiesc în aceste case. [patru]

Alimentarea cu energie a localităților

Suprafața drumului

Panouri solare ca suprafata drumului :

Utilizare în spațiu

Panourile solare sunt una dintre principalele modalități de a obține energie electrică pe nave spațiale : funcționează mult timp fără a consuma materiale și, în același timp, sunt prietenoase cu mediul, spre deosebire de sursele de energie nucleară și radioizotopică .

Cu toate acestea, atunci când zboară la o distanță mare de Soare, utilizarea lor devine problematică, deoarece fluxul de energie solară este invers proporțional cu pătratul distanței de la Soare. Pe Marte , puterea panourilor solare este jumătate față de cea de pe Pământ, iar în apropierea planetelor îndepărtate ale giganților sistemului solar, puterea scade atât de mult încât face panourile solare aproape complet inutile. Când zboară către planetele interioare , Venus și Mercur , puterea bateriilor solare, dimpotrivă, crește semnificativ: în regiunea Venus de 2 ori, iar în regiunea Mercur de 6 ori.

Uz medical

Oamenii de știință sud-coreeni au dezvoltat o celulă solară subcutanată. O sursă de energie în miniatură poate fi implantată sub pielea unei persoane pentru a asigura funcționarea fără probleme a dispozitivelor implantate în corp, cum ar fi un stimulator cardiac. O astfel de baterie este de 15 ori mai subțire decât un păr și poate fi reîncărcată chiar dacă pe piele se aplică protecție solară [8] .

Eficienta fotocelulelor si modulelor

Puterea fluxului de radiație solară la intrarea în atmosfera Pământului (AM0) este de aproximativ 1366 wați [9] pe metru pătrat (vezi și AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D [10] [11] ) . În același timp, puterea specifică a radiației solare în Europa pe vreme foarte înnorată, chiar și în timpul zilei, poate fi mai mică de 100 W/m² [12] . . Cu ajutorul celulelor solare comune produse comercial, este posibilă transformarea acestei energie în energie electrică cu o eficiență de 9-24% . În 2020, prețul panourilor solare a scăzut la 0,15 - 0,33 USD/W, în funcție de tipul și puterea panoului [13] . În 2019, costul energiei electrice generate de stațiile solare industriale a ajuns la 0,068 USD per kWh [14] . În 2021, prețul cu ridicata al celulelor solare a scăzut la 0,07 - 0,08 USD/W [15] .

Fotocelulele si modulele sunt impartite in functie de tip si sunt: ​​monocristaline, policristaline, amorfe (flexibile, film).

În 2009, Spectrolab (o subsidiară a Boeing) a demonstrat o celulă solară cu o eficiență de 41,6% [16] . În ianuarie 2011, celulele solare de la această companie erau așteptate să intre pe piață cu o eficiență de 39% [17] . În 2011, Solar Junction din California a atins o eficiență de 43,5% pentru o fotocelulă de 5,5x5,5 mm, în creștere cu 1,2% față de recordul anterior [18] .

În 2012, Morgan Solar a creat sistemul Sun Simba din polimetil metacrilat (Plexiglas), germaniu și arseniură de galiu prin combinarea unui concentrator cu un panou pe care este montată o fotocelulă. Eficiența sistemului la o poziție staționară a panoului a fost de 26-30% (în funcție de perioada anului și de unghiul în care se află Soarele), de două ori eficiența practică a fotocelulelor pe bază de siliciu cristalin [19] .

În 2013, Sharp a creat o fotocelulă cu trei straturi de 4 × 4 mm pe bază de arseniură de indiu galiu cu o eficiență de 44,4% [20] , și un grup de specialiști de la Institutul Fraunhofer pentru Sisteme de Energie Solară, Soitec, CEA-Leti și Centrul din Berlin, numit după Helmholtz , au creat o fotocelulă folosind lentile Fresnel cu o eficiență de 44,7%, depășind propria lor realizare de 43,6% [21] . În 2014, Institutul Fraunhofer pentru Sisteme de Energie Solară a creat baterii solare, în care, datorită focalizării luminii pe o fotocelulă foarte mică de către o lentilă, eficiența a fost de 46% [22][23] .

În 2014, oamenii de știință spanioli au dezvoltat o celulă fotovoltaică din siliciu capabilă să transforme radiația infraroșie de la Soare în electricitate [24] .

O direcție promițătoare este crearea de fotocelule bazate pe nanoantene , care funcționează pe redresarea directă a curenților induși într-o antenă mică (de ordinul a 200–300 nm) de lumină (adică radiații electromagnetice cu o frecvență de aproximativ 500 THz) . Nanoantenele nu necesită materii prime scumpe pentru producție și au o eficiență potențială de până la 85% [25] [26] .

De asemenea, în 2018, odată cu descoperirea efectului flexo-fotovoltaic, a fost descoperită posibilitatea creșterii eficienței celulelor fotovoltaice [27] . Datorită prelungirii duratei de viață a purtătorilor fierbinți (electroni), limita teoretică a eficienței acestora a crescut de la 34 la 66 la sută simultan [28] .

În 2019, oamenii de știință ruși de la Institutul de Știință și Tehnologie Skolkovo (Skoltech) , Institutul de Chimie Anorganică. A.V. Nikolaev de la Filiala Siberiană a Academiei Ruse de Științe (SB RAS) și Institutul de Probleme de Fizică Chimică al RAS au primit un material semiconductor fundamental nou pentru celulele solare, lipsit de majoritatea deficiențelor materialelor folosite astăzi [29] . Un grup de cercetători ruși a publicat în jurnalul Journal of Materials Chemistry A [30] rezultatele muncii lor privind utilizarea unui nou material semiconductor dezvoltat de ei pentru celulele solare - o iodură de bismut polimerică complexă ({[Bi 3] I 10 ]} și {[BiI 4 ]} ), structural similar cu perovskitul mineral (titanat de calciu natural), care a arătat o rată record de conversie a luminii în electricitate. [30] [31] Același grup de oameni de știință a creat un al doilea semiconductor similar bazat pe bromură de antimoniu complexă cu o structură asemănătoare perovskitului. [32] [33]

Valori maxime de eficiență ale fotocelulelor și modulelor
realizate în condiții de laborator [34]
Tip de Factor de conversie fotoelectrică, %
Siliciu 24.7
Si (cristalin)
Si (policristalin)
Si (Transfer de peliculă subțire)
Si (submodul cu peliculă subțire) 10.4
III-V
GaAs (cristalin) 25.1
GaAs (film subțire) 24.5
GaAs (policristalin) 18.2
InP (cristalin) 21.9
Filme subțiri de calcogenuri
CIGS (fotocelula) 19.9
CIGS (submodul) 16.6
CdTe (fotocelula) 16.5
Siliciu amorf/nanocristalin
Si (amorf) 9.5
Si (nanocristalin) 10.1
Fotochimic
Pe baza de coloranti organici 10.4
Pe bază de coloranți organici (submodul) 7.9
organic
polimer organic 5.15
Multistrat
GaInP/GaAs/Ge 32,0
GaInP/GaAs 30.3
GaAs/CIS (film subțire) 25.8
a-Si/mc-Si (submodul subțire) 11.7

Factori care afectează eficiența celulelor solare

Caracteristicile structurii fotocelulelor determină o scădere a performanței panourilor odată cu creșterea temperaturii.

Reglarea parțială a panoului determină o scădere a tensiunii de ieșire din cauza pierderilor din elementul neaprins, care începe să acționeze ca o sarcină parazită. Acest dezavantaj poate fi eliminat prin instalarea unui bypass pe fiecare fotocelula a panoului. Pe vreme înnorată, în absența razelor directe ale soarelui, panourile care folosesc lentile pentru a concentra radiațiile devin extrem de ineficiente, deoarece efectul lentilei dispare.

Din caracteristica de funcționare a panoului fotovoltaic se poate observa că pentru a obține cea mai mare eficiență este necesară selectarea corectă a rezistenței de sarcină. Pentru a face acest lucru, panourile fotovoltaice nu sunt conectate direct la sarcină, ci folosesc un controler de management al sistemului fotovoltaic care asigură funcționarea optimă a panourilor.

Dezavantajele energiei solare

Centralele solare sunt criticate din cauza costurilor ridicate, precum și a stabilității scăzute a halogenurilor de plumb complexe și a toxicității acestor compuși. Semiconductori fără plumb pentru bateriile solare, de exemplu, pe bază de bismut [30] și antimoniu , sunt în curs de dezvoltare .

Datorită eficienței lor scăzute, care ajunge la 20% în cel mai bun caz, panourile solare se încălzesc foarte mult. Restul de 80% din energia luminii solare încălzește panourile solare la o temperatură medie de aproximativ 55°C. Odată cu creșterea temperaturii unei celule fotovoltaice cu 1°C, eficiența acesteia scade cu 0,5%. Elementele active ale sistemelor de răcire (ventilatoare sau pompe) care pompează agentul frigorific consumă o cantitate semnificativă de energie, necesită întreținere periodică și reduc fiabilitatea întregului sistem. Sistemele de răcire pasivă au performanțe foarte scăzute și nu pot face față sarcinii de răcire a panourilor solare [36] .

Producția de module solare

Foarte des, fotocelulele individuale nu produc suficientă putere. Prin urmare, un anumit număr de celule fotovoltaice sunt combinate în așa-numitele module solare fotovoltaice și se montează o armătură între plăcile de sticlă. Această construcție poate fi complet automatizată [37] .

Top 6 producători

Cei mai mari producători de celule fotovoltaice (după puterea totală) în 2020 [38] . [39]

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

Vezi și

Note

  1. ↑ Perlin, John. Celulele solare din siliciu împlinesc 50 de ani  . Laboratorul Național de Energie Regenerabilă (NREL) (august 2004).
  2. ↑ Luna aceasta în istoria fizicii  . www.aps.org . Preluat: 13 martie 2021.
  3. ↑ Spania cere ca clădirile noi să utilizeze energie solară
  4. ↑ Chiriașii caselor cu panouri solare vor primi o subvenție , Germania.one .
  5. ↑ Franța va construi 1.000 km de drumuri cu panouri solare
  6. ↑ Franța deschide primul drum cu panouri solare , theUK.one .
  7. ↑ Semafor autonom alimentat cu energie solară - cumpărare la Moscova, preț . lumenstar.ru Preluat: 5 noiembrie 2019.
  8. ↑ TASS: Știință - Oamenii de știință sud-coreeni au creat o baterie solară subcutanată
  9. ↑ „Solar Spectre: Air Mass Zero”
  10. ↑ „Tehnologii solare fotovoltaice” (link indisponibil) . Data accesului: 7 februarie 2012. Arhivat din original pe 26 mai 2012. 
  11. ↑ „Iradierea spectrală solară de referință: masa de aer 1,5”
  12. ↑ Pe baza materialelor: www.ecomuseum.kz  (link inaccesibil)
  13. ↑ revista p.v.  Indicele prețurilor modulului  ? . p.v.magazine International . Preluat: 22 februarie 2021.
  14. ↑ Costurile de generare a energiei din surse regenerabile în  2019 . /publications/2020/Jun/Renewable-Power-Costs-in-2019 . Preluat: 22 februarie 2021.
  15. ↑ Piper policristalin 5bb 156.75mm 157mm Mcce Certificat Tuv rezistent la PID de înaltă eficiență Celule solare cu preț la jumătate - Cumpărați Celulă solară 5bb, Celulă solară 156 5bb Policristalină, Celula solară policristalină cu unghi drept Produs pe Alibaba.com . www.alibaba.com . Data accesului: 23 aprilie 2021.
  16. ↑ Australienii au stabilit un nou record de eficiență a panourilor solare (link inaccesibil) . membrana . Membrana (28 august 2009). Preluat la 6 martie 2011. Arhivat din original la 25 iunie 2012. 
  17. ↑ Panourile solare intră pe piață cu o eficiență record . membrana . Membrana (25 noiembrie 2010). Preluat: 6 martie 2011.
  18. ↑ Solar Jonction bate recordul mondial de concentrare solară cu o eficiență de 43,5%.
  19. ↑ Cum să concentrezi lumina soarelui fără concentratoare
  20. ↑ Sharp a dezvoltat o fotocelulă de concentrare cu o eficiență de 44,4% (link inaccesibil) . Preluat la 11 iulie 2013. Arhivat din original la 30 martie 2014. 
  21. ↑ Nou record de eficiență fotocelulă: 44,7%
  22. ↑ OAMENII DE ȘTIINȚĂ DE LA INSTITUTUL FRUNHOFER PENTRU SISTEME DE ENERGIE SOLARĂ AU DEZVOLTAT BATERIE SOLARE CU 46% EFICACITATE ȘI ACESTA ESTE UN NOU RECORD MONDIAL
  23. ↑ Nou record mondial pentru eficiența celulelor solare la 46% - Fraunhofer ISE
  24. ↑ Fotodiodă cu rezonanță Mie sferică din siliciu cu răspuns spectral în regiunea infraroșu
  25. ↑ B. Berland. Fotocelulele merg dincolo de orizont: Rectenele optice ale rețelelor solare  . Laboratorul național de energie regenerabilă din SUA (2003). Data accesului: 4 aprilie 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. ↑ Alexandru Dubov. Fizicienii au extras energie suplimentară din panourile solare . nplus1.ru. Preluat: 25 aprilie 2018.
  28. ↑ Alexandru Dubov. Chimiștii au prelungit durata de viață a electronilor fierbinți din bateriile perovskite . nplus1.ru. Preluat: 20 iunie 2018.
  29. ↑ Sofia Alimova. Oamenii de știință ruși au dezvoltat un nou material pentru panouri solare . Știrile populare din Rusia. Data accesului: 14 mai 2019.
  30. ↑ 1 2 3 Pavel A. Troshin, Vladimir P. Fedin, Maxim N. Sokolov, Keith J. Stevenson, Nadezhda N. Dremova. Iodobismutații polimerici {[Bi3I10 } și {[BiI4]} cu cationi N-heterociclici: materiale fotoactive promițătoare asemănătoare perovskitei pentru dispozitive electronice]  //  Journal of Materials Chemistry A. - 2019-03-12. — Vol. 7 , iss. 11 . — P. 5957–5966 . — ISSN 2050-7496 . - doi : 10.1039/C8TA09204D .
  31. ↑ Rusia a dezvoltat un nou semiconductor pentru panouri solare. Este non-toxic și foarte eficient! - Hitech . hightech.fm. Data accesului: 14 mai 2019.
  32. ↑ Rusia a creat un nou material semiconductor pentru panouri solare . TASS. Data accesului: 14 mai 2019.
  33. ↑ Oamenii de știință Skoltech dezvoltă noi materiale semiconductoare pentru electronice . naked-science.ru. Data accesului: 14 mai 2019.
  34. ↑ Valori maxime de eficiență ale fotocelulelor și modulelor realizate în condiții de laborator (link inaccesibil) . Nitol Solar Limited. Arhivat din original pe 17 iulie 2008. 
  35. ↑ Lapaeva Olga Fedorovna. Transformarea sectorului energetic al economiei în tranziția către tehnologii de economisire a energiei și surse regenerabile de energie  // Buletinul Universității de Stat din Orenburg. - 2010. - Emisiune. 13 (119) .
  36. ↑ David Szondy. Cercetătorii de la Stanford dezvoltă celule solare cu auto-răcire.  (engleză) . gizmag.com (25 iulie 2014). Preluat: 6 iunie 2016.
  37. ↑ Producția unui modul solar fotovoltaic . Preluat la 14 august 2011. Arhivat din original la 25 iunie 2012.
  38. ↑ Thomas Edison. Cea mai recentă listă de panouri solare de nivel 1 2020 (actualizare Q1, Q2). revizuire solară.  (engleză)  ? . Revizuirea solară (22 mai 2020). Data accesului: 20 februarie 2021.
  39. ↑ Cele mai bune companii   de energie solară ? (6 iulie 2021). Data accesului: 1 octombrie 2021.

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii