6.5: Сонячні батареї

Last updated
Save as PDF

Page ID: 29489

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Ефективність сонячних батарей

Пристрої перетворення енергії ніколи не є 100% ефективними. Ефективність визначається як вихідна потужність над вхідною потужністю. Ефективність сонячного елемента часто визначається як відношення електричної потужності до оптичної потужності в пристрої.

\[\eta_{ef \, f} = \frac{P_{electrical \; out}}{P_{optical \; in}} \nonumber \]

Не всі сонячні промені потрапляють до сонячної батареї, оскільки частина його поглинається земною атмосферою. Це атмосферне поглинання сильно залежить від довжини хвилі. Малюнок 6.4.5 - це графік пропускної здатності атмосфери як функції довжини хвилі. Він визначає відсоток світла, який проходить через атмосферу, не поглинаючись. Деякі гази в атмосфері, такі як водяна пара і\(\text{CO}_2\), поглинають значну кількість енергії на певних довжині хвиль. Цифра вказує, який газ відповідає за поглинання атмосфери на деяких конкретних довжині хвиль. Наприклад, озон\(\text{O}_3\) поглинає ультрафіолетове світло. Озон в атмосфері пропонує переваги, оскільки ультрафіолетове світло може пошкодити очі та шкіру. Інтенсивність оптичної потужності від сонця, яке потрапляє на сонячну батарею, змінюється від дня в день і від місця до місця. У світлій сонячній зоні сонячний елемент може отримувати близько\(0.1 \frac{W}{cm^2}\) [73, с. 7].

Навіть якщо енергія від сонячного світла досягає сонячної батареї, енергія не перетворюється на електрику з ідеальною ефективністю. Причин такої неефективності безліч, і деякі з цих причин пов'язані з тим, що не все світло, що потрапляє на сонячну батарею, поглинається. Світло може нагрівати сонячну батарею замість збуджуючих електронів для створення електронно-діркових пар [74]. Як варіант, світло може відбиватися від поверхні сонячних елементів [74]. Багато сонячних елементів мають просвітливе покриття для зменшення відбитків, але вони не усуваються. Поверхня інших сонячних елементів виготовляється шорсткою, а не гладкою, щоб зменшити відбиття. Крім того, якщо фотон потрапляє на електрон, який вже збуджений, фотон не буде поглинатися. Крім того, сонячні батареї мають дроти по всій поверхні для захоплення виробленої електроенергії. Ці дроти часто тонкі і в конфігурації, схожої на палець. Світло, що потрапляє на ці дроти, не доходить до напівпровідникової частини сонячної батареї і не ефективно перетворюється в електрику. Щоб зменшити цю проблему, дроти деяких сонячних елементів виготовляють з матеріалів, які є частково прозорими провідниками, таких як оксид індію олова або оксид олова\(\text{SnO}_2\) [74]. Оксид індію олова - прозорий провідник з помірно високою електропровідністю\(\sigma = 10^6 \frac{1} {\Omega \cdot m}\) [75].

Інші причини того, що сонячні елементи не є абсолютно ефективними, пов'язані з тим, що відбувається після того, як фотон збуджує електрон. Електрон може бути збуджений, але він може розпастися до того, як вийде змітається з переходу [74]. Фотон може збуджувати електрон до рівня вище зони провідності, але електрон може швидко розпастися до верхньої частини смуги провідності, втративши деяку енергію для нагрівання. Внутрішній опір в об'ємних областях n-типу або p-типу може перетворювати електроенергію в тепло. Також може бути внутрішній опір проводки в системі. Також неперевершені навантаження роблять сонячні батареї менш ефективними, ніж узгоджені навантаження [74].

Напруга поперек і струм, що виробляється освітленим сонячним елементом, є обома функціями температури. Довідка [76] демонструє, як теоретично, так і експериментально, що ефективність сонячної батареї зменшується з підвищенням температури. Ряд механізмів, що відбуваються в сонячній батареї, залежать від температури. По-перше, з підвищенням температури дозволені рівні енергії розширюються. З цієї причини енергетичний зазор\(E_g\), який пропорційний напрузі, що виробляється сонячним елементом, менший при більш високих температурах. Зі збільшенням температури ця напруга, що виробляється сонячним елементом, зменшується приблизно лінійно [76]. По-друге, струм внаслідок рекомбінації електронно-діркових пар на стику є функцією температури. При більш високих температурах більше електронно-діркових пар рекомбінуються на стику, тому загальний струм, вироблений сонячним елементом, менше. З цієї причини при підвищенні температури загальний струм, вироблений сонячним елементом, зменшується приблизно в геометричній прогресії [76]. Цей вплив на струм є основною причиною того, що ефективність сонячних батарей залежить від температури. Інші механізми залежать від температури, але менш значущі [76].

Технології сонячних батарей

Розробляються чотири основні технології сонячних батарей: кристалічні, тонкоплівкові, багатоперехідні елементи та нові фотоелектричні технології [77]. Однак ці категорії не відрізняються, оскільки деякі сонячні елементи одночасно вписуються в кілька категорій. Малюнок\(\PageIndex{1}\), з [77], порівнює сонячні елементи цих технологій. Більш конкретно, він показує рекордну ефективність для кожного з цих типів сонячних елементів, а також рік досягнення рекордів.

Перша категорія - кристалічна, і ці осередки можуть бути виготовлені з монокристалів або з полікристалічного матеріалу [78]. Перше покоління сонячних батарей було виготовлено за цією технологією. Простий рецепт того, як виробляти кристалічний сонячний елемент, див. [69]. Більшість сонячних батарей, вироблених сьогодні, близько 80% ринку, є кремнієвими елементами цієї категорії. Типова ефективність кристалічного сонячного елемента, доступного сьогодні, може становити близько 20% [78]. Полікристалічні сонячні елементи часто дешевші та трохи менш ефективні, ніж монокристалічні елементи.

Друга категорія - тонкоплівкові. Для виготовлення цих сонячних елементів тонкі плівки напівпровідників наносяться на таку підкладку, як скло або сталь. Підкладка може бути жорсткою або гнучкою. Сам сонячний елемент може бути виконаний з шарів матеріалу товщиною всього в кілька мікрон. Тонкоплівкові сонячні батареї можуть коштувати дешевше, ніж інші типи сонячних батарей [78]. Часто вони менш ефективні, ніж кристалічні клітини, але мають інші переваги [78]. Одним з матеріалів, що використовуються для виготовлення тонкоплівкових сонячних елементів, є аморфний кремній. Ще одним використовуваним матеріалом є CdTe, який має енергетичний зазор 1,45 еВ. Кадмій і телур токсичні, але їх може бути легше осаджувати в тонких плівках, ніж кремній.

Третя категорія - багатоперехідні, також звані складовими, сонячними елементами. Ці сонячні елементи виконані з десятка і більше шарів напівпровідників, укладених один на одного [78]. Ці шари утворюють кілька pn з'єднань. Більші зазори напівпровідників знаходяться на верхніх шарах, а менший зазор напівпровідників ближче до підкладки. Ці сонячні батареї можуть бути досить ефективними. Клітини з ефективністю до 46% були продемонстровані в лабораторіях [77].

Остання категорія - це нові технології сонячних батарей. Для розробки сонячних елементів використовується кілька креативних стратегій. Стратегії нанотехнологій включають використання сонячних елементів, виготовлених з вуглецевих нанотрубок і з матеріалів на основі квантових точок [78]. Органічні сонячні елементи також потрапляють в цю категорію. Активною частиною цих сонячних елементів є тонкий, часто 100-200 нм, шар органічного матеріалу [79]. Однією з переваг органічних сонячних елементів є те, що їх обробка може не вимагати таких високих температур, як обробка сонячних елементів, виготовлених з pn переходів неорганічних напівпровідників [79].

Системи сонячних батарей

Сонячні батареї використовуються в широкому спектрі приладів. Недорогі газонні прикраси з сонячними батареями доступні в господарських магазинах менш ніж за долар. Невеликі фотоелектричні пристрої, що використовуються в якості оптичних датчиків, однаково недорогі. З іншого боку, сонячні елементи живлять марсоходи NASA Spirit і Opportunity, а також супутники, що обертаються навколо Землі. Також великі масиви сонячних батарей використовуються для вироблення електроенергії.

Типовий сонячний елемент виробляє близько ват електроенергії, тоді як типовий будинок може вимагати близько 4 кВт потужності [73]. Для отримання необхідної потужності окремі сонячні батареї з'єднуються між собою в модулі, а модулі з'єднуються між собою в сонячні батареї. У типовій установці на даху будинку панель може складатися з близько 40 сонячних батарей, а 10 або 20 панелей можуть бути змонтовані на даху [73]. Типова установка сонячних панелей на даху будівлі має ряд компонентів на додаток до масивів сонячних панелей. Додаткові компоненти часто називають балансом системи, і вони складаються з акумуляторів, кріплення або відстеження обладнання, сонячних концентраторів і кондиціонерів. Ці складові проілюстровані на рис. \(\PageIndex{2}\).

Система кріплення складається з фундаменту, механічних опор, кронштейнів та проводки, необхідної для фізичного монтажу та підключення сонячної панелі. Деякі сонячні батареї монтуються в нерухомому положенні. Інші сонячні панелі монтуються на системах, які нахиляють панелі до сонця. Деякі системи стеження обертають панель навколо однієї осі схід-захід. Інші мають дві осі. Двоосьові системи стеження часто використовуються з сонячними концентраторами. Концентратор - це дзеркальна або лінзова система, призначена для захоплення більшої кількості сонячного світла на панелі.

Системам сонячних панелей потрібні батареї або якийсь інший механізм накопичення енергії для забезпечення електричною енергією вночі, в похмурі дні та в інші часи, коли на сонячні батареї потрапляє недостатнє сонячне світло. Сонячні батареї можуть прослужити 30 років і більше з лише близько 1% або 2% деградації на рік. Також сонячні батареї рідко потребують обслуговування, і їх не можна легко відремонтувати. Якщо сонячна панель виходить з ладу, замінюється вся панель. Однак типовий термін служби батарей становить від трьох до дев'яти років, і вони часто є першою частиною системи сонячних панелей, яка потребує заміни [73].

6.5.1.png — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Кращий ККД різних типів сонячних елементів. Цей сюжет люб'язно надано Національною лабораторією відновлюваної енергетики, Golden, CO [77].

6.5.2.png — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Компоненти системи сонячних панелей.

Система кондиціонування електроенергії складається з інвертора, який перетворює електрику постійного струму в змінний струм, і для систем, пов'язаних з мережею, системи, що відповідає фазі виробленої потужності змінного струму з фазою мережі. Системи кондиціонування електроенергії також містять систему обмеження струму або напруги для максимізації потужності, що подається. Крім того, вони включають такі запобіжники, як запобіжники для запобігання травм або пошкодження обладнання. Типовий термін експлуатації електроніки може становити близько 10-15 років [73].