Солнечные батареи с высоким кпд: Ученые придумали, как увеличить эффективность солнечных батарей — Российская газета

Содержание

Ученые придумали, как увеличить эффективность солнечных батарей — Российская газета

Петербургские ученые предложили новую технологию производства солнечных батарей. Они смогут преобразовать энергию Солнца в электричество с более высоким кпд, чем классические кремниевые элементы.

О том, что солнечные электростанции могут стать основой энергетики будущего, не раз говорил нобелевский лауреат Жорес Алферов. Но для этого надо существенно повысить отдачу солнечных батарей. А для этого заменить в них кремний на более эффективные полупроводники.

Идея начала реализовываться, в частности, в солнечных элементах, созданных на основе арсенида галлия. На них возлагались большие надежды. Cчиталось, что теперь эффективность солнечной энергетики резко пойдет вверх, но прогнозы не оправдались. Причин несколько, в том числе высокая цена. Дело в том, что подложку из дешевого кремния, на которой выращиваются кристаллы для солнечных панелей, заменили на дорогие химические элементы, в частности, германий. Ученики Алферова из Санкт-Петербургского академического университета нашли вариант, который позволяет решить эту проблему.

- Наша идея - оставить кремниевую подложку, а на ней разместить полупроводники из разных химических элементов, - объясняет один из авторов разработки Иван Мухин. - Требовалось подобрать такую комбинацию полупроводников, чтобы оптика солнечной панели была максимальной. Тогда она будет поглощать и превращать в электричество наибольшее количество солнечного света.

Залог такой оптики - предельное совпадение кристаллической решетки кремниевой подложки и полупроводников, из которых выращиваются солнечные панели. Если совсем просто, одни атомы должны максимально точно упаковываться на другие. Оказалось, что кремний - плохой контактер. Ему непросто подобрать подходящие варианты. После тщательного перебора вариантов ученые остановились на квартете: галлий - фосфор - нитрит - мышьяк. Теоретики подсчитали, что кпд такой конструкции составит около 40 процентов, в то время как у кремниевых фотоэлементов - 20-25 процентов. Ученые создали прототип нового изделия, и впервые в мире показали, что с помощью такой технологии можно получать солнечные элементы с высоким кпд. Теперь дело за тем, чтобы выйти из стен лаборатории и попробовать перспективные идеи превратить в инновации.

эффективность панелей, мощность излучения на квадратный метр, самые эффективные

Эффективность солнечных батарей, как правило, рассчитывают с учетом КПД установки Солнечные батареи – это уникальная система, позволяющая преобразовывать солнечные лучи в электрическую и тепловую энергию. Растущий спрос на гелиопродукцию, на сегодня, обуславливается ее быстрой окупаемостью и долговечностью, доступностью теплоносителя. Но, какое напряжение способны вырабатывать солнечные батареи? О том, насколько эффективны гелиосистемы, и от чего зависит коэффициент их полезного действия – читайте в статье.

Солнечные батареи с высоким КПД: виды преобразователей

КПД солнечный батарей – это величина, которая равняется отношению мощности электроэнергии к мощности падающих на панель устройства солнечных лучей. Современные солнечные батареи обладают КПД в диапазоне от 10 до 45%. Такая большая разница обуславливается различиями между материалами изготовления и конструкцией пластин батарей.

Так, пластины солнечных батарей могут быть:

  • Тонкопленочными;
  • Многопереходными.

Солнечные батареи последнего типа, на сегодня, являются наиболее дорогими, но и наиболее продуктивными. Это связано с тем, что каждый переход в пластине поглощает волны с определенной длиной. Таким образом, устройство охватывает весь спектр солнечных лучей. Максимальный КПД батарей с многопереходными панелями, полученный в лабораторных условиях, составляет 43,5%.

Энергетики с уверенностью заявляют, что через несколько лет этот показатель возрастет до 50%. КПД тонкопленочных пластин зависит, в большей степени, от материала их изготовления.

Так, тонкопленочные солнечные батареи делятся на такие виды:

  • Кремниевые;
  • Кадмиевые.

Наиболее популярными солнечными батареями, которые можно использовать в бытовых целях, считаются установки с кремниевыми пленочными пластинами. Объем таких устройств на рынке составляет 80%. Их КПД достаточно низкий – всего 10%, но они отличаются доступностью и надежностью. На несколько процентов показатель полезного действия выше у кадмиевых пластин. Пленки с частицами селенида, меди, индия и галлия имеют более высокий КПД, который равняется 15%.

От чего зависит эффективность солнечных батарей

На КПД фотоэлектрических преобразователей влияет масса факторов. Так, как было отмечено выше, количество вырабатываемой энергии зависит от структуры панели преобразователя, материала их изготовления.

Эффективность солнечных батарей зависит от угла наклона устройства, погодных условий и, конечно же, от силы солнечного излучения

Кроме того, эффективность солнечных преобразователей зависит от:

  • Силы солнечного излучения. Так, при снижении солнечной активности, мощность гелиоустановок снижается. Чтобы батареи обеспечивали потребителя энергией и в ночное время, их снабжают специальными аккумуляторами.
  • Температуры воздуха. Так, солнечные батареи с охлаждающими устройствами являются более продуктивными: нагрев панелей негативно сказывается на их способности преобразовывать энергию в ток. Так, в морозную ясную погоду КПД гелиобатарей выше, нежели в солнечную и жаркую.
  • Угла наклона устройства и падения солнечных лучей. Для обеспечения максимальной эффективности, панель солнечной батареи должна быть направлена строго под солнечное излучение. Наиболее эффективными считаются модели, уровень наклона которых можно менять относительно расположения Солнца.
  • Погодных условий. На практике отмечено, что в районах с пасмурной, дождливой погодой эффективность солнечных преобразователей значительно ниже, нежели в солнечных регионах.

Кроме того, на эффективность солнечных преобразователей влияет и уровень их чистоты. Для того, чтобы устройство могло работать продуктивно, его пластины должны потреблять как можно больше солнечного излучения. Сделать это можно лишь в том случае, если приборы чистые.

Скопление на экране снега, пыли и грязи может уменьшить КПД устройства на 7%.

Мыть экраны рекомендуется 1-4 раза в год в зависимости от степени загрязнений. При этом, для очистки можно использовать шланг с насадкой. Технический осмотр преобразовательных элементов следует проводить раз в 3-4 месяца.

Мощность солнечных батарей на квадратный метр

Как было замечено выше, в среднем, один квадратный метр фотоэлектрических преобразователей обеспечивает выработку 13-18% от мощности попадающих на него солнечных лучей. То есть, при самых благоприятных условиях, с квадратного метра солнечных батарей можно получить 130-180 Вт.

Мощность гелиосистем можно увеличивать, наращивая панели и увеличивая площадь фотоэлектрических преобразователей.

Получить большую мощность можно и, установив панели с более высоким КПД. Тем не менее, достаточно низкий (в сравнении, например, с индукционными преобразователями) коэффициент полезного действия доступных солнечных батарей является главной преградой на пути к их широкому использованию. Увеличение мощности и КПД гелиосистем является первостепенными задачами современной энергетики.

Самые эффективные солнечные батареи: рейтинг

Наиболее эффективные солнечные преобразователи, на сегодня, производит фирма Sharp. Трехслойные, мощные, концентрирующие солнечные панели имеют эффективность в 44,4%. Стоимость их невероятно высока, поэтому они нашли применение лишь в авиационно-космической промышленности.

Ознакомиться с рейтингом лучших и эффективных солнечных батарей можно самостоятельно, используя интернет

Наиболее доступными и эффективными являются современные солнечные батареи от компаний:

  • Panasonic Eco Solutions;
  • First Solar;
  • MiaSole;
  • JinkoSolar;
  • Trina Solar;
  • Yingli Green;
  • ReneSola;
  • Canadian Solar.

Компания Sun Power производят самые надежные солнечные преобразователи с КПД в 21,5%. Продукция этой компании пользуется абсолютной популярностью на коммерческих и производственных объектах, уступая, разве что, устройствам от Q-Cells.

КПД солнечных батарей (видео)

Современные солнечные батареи, как экологически чистые устройства преобразования энергии с неиссякаемым теплоносителем, набирают всю большую популярность. Уже сегодня девайсы с фотоэлектрическими преобразователями используют для бытовых целей (зарядки телефонов, планшетов). Эффективность солнечных установок пока уступает альтернативным способам получения энергии. Но, повышение КПД преобразователей – это первостепенная задача современной энергетики.


Добавить комментарий

КПД солнечных батарей

Сегодня идёт много разговоров вокруг такого понятия, как КПД гелиосистем. Это один из ключевых критериев при оценке эффективности работы солнечных батарей. Увеличение этого показателя является главной задачей на пути снижения затрат на преобразование солнечной энергии и расширения использования гелиосистем. Низкий КПД солнечных батарей является их основным недостатком. Квадратный метр современных фотоэлементов обеспечивает выработку 15─20 процентов от мощности солнечного излучения, попадающего на него. И это при самых благоприятных условиях эксплуатации. В результате для обеспечения необходимого энергоснабжения требуется установка множества солнечных панелей большой площади. Насколько эффективно такое оборудование и от чего зависит его КПД, постараемся разобраться в этой статье. А также поговорим о сроке службы и окупаемости солнечных панелей.


 

Содержание статьи

Виды солнечных фотоэлементов и их КПД

В основе функционирования солнечных панелей лежат свойства полупроводниковых элементов. Падающий на фотоэлектрические панели солнечный свет фотонами выбивает с внешней орбиты атомов электроны. Образовавшееся большое количество электронов обеспечивает электрический ток в замкнутой цепи. Одной или двух панелей для нормальной мощности недостаточно. Поэтому несколько штук объединяют в солнечные батареи. Для получения необходимого напряжения и мощности их подключают параллельно и последовательно. Большее число фотоэлементов дают большую площадь поглощения солнечной энергии и выдают большую мощность.

Фотоэлементы


Теперь непосредственно о самом КПД. Эта величина вычисляется делением мощности электроэнергии на мощность солнечной энергии, попадающей на панель. У современных солнечных батарей эта величина лежит в интервале 12─25 процентов (на практике не выше 15%). Теоретически можно поднять КПД до 80─85 процентов. Такая разница существует из-за материалов для изготовления панелей. В основе лежит кремний, который не поглощает ультрафиолет, а лишь инфракрасный спектр. Получается, что энергия ультрафиолетового излучения уходит впустую.

Одним из направлений повышения КПД является создание многослойных панелей. Такие конструкции состоят из набора материалов, расположенных слоями. Подбор материалов осуществляется так, чтобы улавливались кванты различной энергии. Слой с одним материалом поглощает один вид энергии, со вторым – другой и так далее. В результате можно создавать солнечные батареи с высоким КПД. Теоретически такие многослойные панели могут обеспечить КПД до 87 процентов. Но это в теории, а на практике изготовление подобных модулей проблематично. К тому же они получаются очень дорогие.

На КПД гелиосистем также влияет тип кремния, используемого в фотоэлементах. В зависимости от получения атома кремния их можно разделить на 3 типа:

  • Монокристаллические;
  • Поликристаллические;
  • Панели из аморфного кремния.

Фотоэлементы из монокристаллического кремния имеют КПД 10─15 процентов. Они являются самыми эффективными и имеют стоимость выше остальных. Модели из поликристаллического кремния имеют самый дешевый ватт электроэнергии. Многое зависит от чистоты материалов и в некоторых случаях поликристаллические элементы могут оказаться эффективнее монокристаллов.

Панель из аморфного кремния



Существуют также фотоэлементы из аморфного кремния, на базе которых изготавливают тонкопленочные гибкие панели. Их производство проще, а цена ниже. Но КПД значительно ниже и составляет 5─6 процентов. Элементы из аморфного кремния с течением времени теряют свои характеристики. Для увеличения их производительности добавляют частицы селена, меди, галлия, индия.

Вернуться к содержанию
 

От чего зависит эффективность работы солнечных батарей?

На эффективность работы солнечных батарей оказывают влияние несколько факторов:

  • Температура;
  • Угол падения солнечных лучей;
  • Чистота поверхности;
  • Отсутствие тени;
  • Погода.

В идеале угол падения солнечных лучей на поверхность фотоэлемента должен быть прямым. При прочих равных в этом случае будет максимальная эффективность. В некоторых моделях для увеличения КПД в солнечных батареях устанавливается система слежения за солнцем. Она автоматически меняет угол наклона панелей в зависимости от положения солнца. Но это удовольствие не из дешёвых и поэтому встречается редко.

При работе фотоэлементы нагреваются, и это отрицательно сказывается на эффективности их работы. Чтобы избежать потерь при преобразовании энергии следует оставлять пространство панелями и поверхностью, где они закреплены. Тогда под ними будет проходить поток воздуха и охлаждать их.

Монтаж солнечных батарей



Несколько раз в год обязательно нужно мыть и протирать панели. Ведь КПД фотоэлектрических панелей прямо зависит от падающего света, а значит, от чистоты поверхности. Если на поверхности есть загрязнения, то эффективность солнечных батарей будет снижаться.

Важно сделать правильную установку батарей. Это означает, что на них не должна падать тень. Иначе эффективность системы в целом будет сильно снижаться. Крайне желательно устанавливать фотоэлементы на южной стороне.

Что касается погоды, то от неё также зависит очень многое. Чем ближе ваш регион к экватору, тем большая плотность излучения будет попадать солнечного излучения на панели. В нашем регионе зимой эффективность может упасть в 2─8 раз. Причины как в уменьшении солнечных дней так и в снеге, попадающим на панели.
Вернуться к содержанию
 

Срок службы и окупаемость солнечных панелей

В гелиосистемах нет никаких подвижных механических частей, что делает их долговечными и надёжными. Срок эксплуатации подобных батарей 25 лет и дольше. Если их правильно эксплуатировать и обслуживать, то они могут прослужить и 50 лет. Кроме этого, в них не бывает каких-то серьёзных поломок и от владельца требуется лишь периодически чистить фотоэлементы от грязи, снега и т. п. Это требуется для увеличения КПД и эффективности гелиосистемы. Длительный срок службы зачастую становится определяющим при решении покупать или нет солнечные батареи. Ведь после прохождения срока окупаемости, электроэнергия от них будет бесплатной.

Установка солнечных батарей на крыше


А срок окупаемости существенно меньше, чем срок службы. Но многих останавливает первоначальная стоимость батарей. Вкупе с низким КПД у многих людей это вызывает сомнения в выгодности приобретения гелиосистем. Поэтому решение здесь нужно принимать с учётом погоды и климата в вашем регионе, условий использования и т. п.

На срок окупаемости оказывают влияние следующие факторы:

  • Тип фотоэлементов и оборудования. На окупаемость оказывает влияние как величина КПД, так и первоначальная стоимость фотоэлементов;
  • Регион. Чем выше интенсивность солнечного света в вашей местности, тем меньше срок окупаемости;
  • Цена оборудования и монтажа;
  • Цена электроэнергии у вас в регионе.

В среднем срок окупаемости по регионам составляет:

  • Южная Европа ─ до 2 лет;
  • Средняя Европа – до 3,5 лет;
  • Россия ─ в большинстве регионов до 5 лет.

Эффективность солнечных коллекторов для сбора тепла и батарей для получения электрической энергии постоянно увеличивается. Правда не так быстро, как хотелось бы. Специалисты отрасли занимаются повышением КПД и снижением себестоимости фотоэлементов. В итоге всё это должно привести к уменьшению срока окупаемости и широкому распространению солнечных батарей.

Вернуться к содержанию
 

Разработки, направленные на увеличение КПД солнечных батарей

В последние годы учёные по всему миру заявляют о разработке технологий, увеличивающих КПД солнечных модулей. Не все из них являются применимыми к реальным условиям эксплуатации, но некоторые из них заслуживают внимания. Так, в прошлом году специалисты Sharp разработали фотоэлектрические элементы с эффективностью 43,5 процента. Такое увеличение было получено благодаря установке линзы, которая фокусирует получаемую энергию прямо в элементе.

Устройство фотоэлементов Sharp



Физики из Германии 3 года назад разработали фотоэлемент, площадь которого всего несколько квадратных миллиметров. Он состоит из четырёх слоёв полупроводников. Полученных ими КПД составил 44,7 процента. Здесь эффективность была увеличена за счёт размещения в фокус вогнутого зеркала.

В Стэнфорде был получен жаропрочный композит, который может быть использован для увеличения производительности фотоэлектрических панелей. В теории можно получить КПД близкий к 80 процентам. Этот композитный материал может перевести высокочастотное излучение в инфракрасный спектр, за счёт чего резко увеличивается эффективность.

Другие британские специалисты разработали технологию, которая увеличивает эффективность фотоэлементов на 22 процента. На гладкой поверхности гибких панелей они нанесли алюминиевые шипы наноразмера. Алюминий рассеивает солнечный свет, поэтому был выбран он. В результате увеличивается количество энергии солнца, которое поглощается фотоэлементом. За счёт этого удалось добиться увеличения эффективности.


Так, что специалисты в области солнечных батарей бьются за каждый процент и, возможно, в ближайшем будущем они получат широкое распространение. Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Этим вы поможете развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье оставляйте в комментариях.
Вернуться к содержанию

Теоретический расчет предела эффективности солнечных батарей

2.1. Солнечный элемент как обратимый тепловой двигатель

Термодинамика широко используется для оценки предела эффективности процесса преобразования энергии. Предел производительности солнечного элемента рассчитывается либо с помощью термодинамики, либо с помощью подходов детального баланса. Независимо от механизма преобразования в солнечных элементах, верхний предел эффективности был оценен путем рассмотрения только баланса потоков энергии и энтропии.В качестве первого шага солнечный элемент был представлен идеально реверсивным тепловым двигателем Карно в идеальном контакте с резервуаром высокой температуры T s (солнце) и резервуаром низкой температуры T , представляющим окружающую среду. Атмосфера. В соответствии с первым законом термодинамики извлеченная работа, выходная электрическая мощность ячейки, представлена ​​как разница между чистой энергией, поступающей от солнца, и энергией, рассеиваемой в окружающую среду.Модель показана на рисунке 1. Где Q 1 - солнечная энергия, падающая на элемент, Q 2 - количество энергии, протекающее от преобразователя к радиатору, а W - это работа, переданная нагрузке в виде электрической энергии ( W = Q 1 - Q 2 ). Эффективность этой системы определяется с использованием первого термодинамического закона как:

ηc = WQ1 = Q1-Q2Q1 = 1-Q2Q1E1

для реверсивного двигателя полная энтропия сохраняется, S = S1-S2 = 0, тогда;

Следовательно, КПД Карно может быть представлен как:

Этот КПД зависит просто от отношения температуры преобразователя, равной температуре окружающего радиатора, к температуре солнца. Этот КПД максимален ( η c = 1 ), если температура преобразователя составляет 0 K и солнечная энергия полностью преобразуется в электрическую работу, тогда как η c = 0 , если температура преобразователя идентична температуре солнца T с , система находится в тепловом равновесии, поэтому обмен энергией отсутствует. Если солнце имеет температуру 6000K и температура окружающей среды 300K , КПД Карно составляет 95 %, это значение представляет собой верхний предел для всех солнечных преобразователей.

Рисунок 1.

Принципиальная схема солнечного преобразователя, представленного как идеальный двигатель Карно.

Другой способ расчета эффективности обратимого теплового двигателя, в котором солнечный элемент считается преобразователем черного тела при температуре T c , поглощающим излучение от самого солнца черным телом при температуре T s , без создания энтропии, эта эффективность называется эффективностью Ландсберга [16].

При условии обратимости поглощенная энтропия от Солнца S абс испускается двумя способами: одна излучается обратно к солнцу S испускает , а вторая часть идет в тепло окружающей среды раковина S a . При этом условии солнечный элемент называется обратимым, если:

В соответствии с законом черного тела Стефана – Больцмана поглощенный тепловой поток от солнца равен:

Для излучения черного тела поглощенная плотность потока энтропии равна:

Поток энергии, испускаемый преобразователем при температуре T c , равен:

А поток испускаемой энтропии:

В этой модели источник черного тела (солнце) полностью окружает преобразователь при T c , который предполагается в контакте с теплоотводом при T a , затем T c = T a . Следовательно, энтропия, передаваемая в теплоотвод, равна:

Sa = Sabs − Semit = 43σ (Ts3 − Tc3) E9

А переданный тепловой поток равен:

Qa = TcSa = 43σTc (Ts3 − Tc3) E10

Без энтропии, полезный рабочий поток составляет:

Следовательно, КПД Ландсберга можно вывести как:

ηL = WQabs = 1-43TcTs + 13 (TcTs) 4E12

Фактическая температура преобразователя T c зависит от рабочего режима. точки преобразователя и отличается от температуры окружающей среды T a , ( T c T a ).Чтобы сохранить то же предположение, что и при расчете эффективности Ландсберга, энтропия, передаваемая на внешний теплоотвод, переписывается как:

Qa = TaSa = 43σ Ta (Ts3 − Tc3) E13

Мы приходим к более общей форме эффективности Ландсберга η ':

η'L = 1- (TcTs) 4-43TaTs (1-Tc3Ts3) E14

На график нанесены обе формы эффективности Ландсберга ( η L и η' L ). на рис. 2 для сравнения добавлена ​​кривая эффективности Карно.При 300 K η L и η ’ L совпадают при 93,33%, что немного ниже КПД Карно. Когда температура преобразователя выше температуры окружающей среды ( T c > T a ), тепловой поток от преобразователя к солнцу меньше (в соответствии с моделью Ландсберга). Это означает, что преобразователь может потребовать много работы, что приведет к повышению эффективности.Когда T c приближается к температуре солнца, чистый обмен энергией между солнцем и преобразователем падает, поэтому эффективность снижается и, наконец, до нуля для T c = T с .

Рис. 2.

Ландсберг и Карно Пределы КПД солнечного преобразователя в зависимости от температуры окружающей среды.

В модель Ландсберга включен закон излучения черного тела для Солнца и солнечного элемента, в отличие от предыдущего двигателя Карно.

Эта цифра представляет собой верхний предел эффективности преобразования солнечной энергии, особенно для солнечных элементов, которые в основном представляют собой квантовые преобразователи, поглощающие только фотоны с энергией выше или равной их ширине запрещенной зоны. С другой стороны, при расчете поглощенного солнечного излучения предполагалось, что преобразователь полностью окружен источником, что соответствует телесному углу 4π.

Используя тот же подход, можно разделить систему на две подсистемы, каждая со своей эффективностью; двигатель Карно, который включает тепловой насос преобразователя при T c и внешний радиатор при T a , с КПД η c (идеальный двигатель Карно ).

Температура окружающей среды принята равной 300 K , поэтому высокий КПД достигается, когда температура преобразователя выше температуры окружающей среды.

Вторая часть состоит из солнца в виде изотропного черного тела при T с и резервуара конвертера, принятого как черное тело при температуре T c . Поток энергии, падающий на Q абс и испускаемый преобразователем солнечной энергии Q , излучаемый , определяется выражением:

Qabs = C f σ Ts4 и Qemit = σ Tc4E16

, где f равно геометрический фактор, учитывающий ограниченный телесный угол, под которым солнечная энергия падает на преобразователь.В соответствии со схематическим изображением на фиг.3, где солнечный элемент представлен как планарное устройство, облучаемое окружающей полусферой областью, и солнце, проходящее под телесным углом ω s под углом падения θ, f определяется как отношение площади, покрытой солнцем, к видимой площади полушария:

f = ∫ωscosθ dω∫2πcosθ dω = ωsπE17

ω s - телесный угол, образованный солнцем, где ω с = 6.85 × 10 -5 ср. Коэффициент концентрации C ( C > 1) является мерой увеличения плотности тока энергии с помощью оптических средств (линзы, зеркала . ..). Максимальный коэффициент концентрации получается, если мы берем T s = 6000 ° K :

σ Ts4 = Cmax f σ Ts4E18

Тогда

Cmax = 1 / f≈ 46200

Случай максимальной концентрации также соответствует схематическому случаю, когда предполагается, что солнце полностью окружает преобразователь, как предполагалось в предыдущих расчетах.

Аналогичная ситуация может быть получена, если телесный угол, через который фотоны выходят из ячейки (угол испускания), ограничен узким диапазоном вокруг Солнца. Этого можно достичь, поместив кювету в полость, ограничивающую угол выхода фотонов.

Рис. 3.

Схематическое изображение преобразователя солнечной энергии в виде плоского элемента, облучаемого солнцем, проходящим под телесным углом ωs под углом падения θ.

КПД этой части системы (изолированной) определяется выражением:

результирующий КПД представляет собой просто произведение:

ηac = ηc.ηabs = (1-Tc4C f Ts4) (1-TaTc) E20

На этом рисунке представлена ​​общая эффективность безэнтропийного преобразования энергии излучателем-поглотителем черного тела в сочетании с двигателем Карно. Температура окружающей среды T a принята равной 300 K . Если принять f равным ω s / π = 2,18 × 10 -5 и без концентрации ( C = 1), мы получим очень низкое значение эффективности (около 6.78%), как показано на рисунке 4. Эффективность для концентраций 10, 100 и полной концентрации (46200) составляет соответственно 31,36, 53,48 и 85,38%. В этой модели солнечный элемент не находится в тепловом равновесии с окружающей средой ( T c T a ), тогда он обменивается излучением не только с солнцем, но и с радиатором окружающей среды. . Следовательно, энергия может производиться или поглощаться из окружающей среды, выступающей в качестве вторичного источника.Пренебрежение этим вкладом, естественно, снижает эффективность преобразователя, особенно при ° C = 1. Второе объяснение низкого значения эффективности - это заниженная оценка повторно испускаемого излучения из элемента, в рабочих условиях солнечный элемент повторно излучает излучение эффективно, особенно в точке разомкнутой цепи.

Рис. 4.

КПД ηac для различных уровней концентрации (C = 1, 10, 100 и Cmax) с пределами КПД солнечного преобразователя Ландсберга и Карно в зависимости от температуры окружающей среды.

2.2. Солнечный элемент как необратимый тепловой двигатель

Де Вос и др. Представили более реалистичную модель. [8], в котором только часть преобразовательной системы является обратимой, необратимой системой. Промежуточный резервуар тепла вставлен при температуре преобразователя T c , этот источник нагревается солнцем до T с (излучение черного тела) и действует как новый высокотемпературный насос в реверсивный двигатель Карно.В этой системе энтропия генерируется между резервуаром T s и преобразователем, температура T c является фиктивной и отличается от температуры окружающей среды T a . Эффективная температура T c зависит от скорости производства работ. В этой модели предполагается, что преобразователь солнечной энергии ведет себя как двигатель Мюзера, который сам является частным случаем двигателя Керзона-Альборна, как показано на рис.5, солнце представлено источником черного тела при температуре T 1 = T с солнечный элемент включает в себя тепловой резервуар, принимаемый как черное тело при T 3 = T c (температура преобразователя) и идеальный двигатель Карно, способный производить полезную работу (электрическая мощность), однако T c связано с рабочим состоянием преобразователя.Этот двигатель контактирует с радиатором окружающей среды при T 2 , что соответствует температуре окружающей среды T 2 = T a . В дополнение к поглощенной солнечной энергии преобразователь поглощает излучение из окружающего резервуара, который считается черным телом при T a .

Рис. 5.

Принципиальная схема солнечного преобразователя, представленного как эндореверсивная система.

Чистый поток энергии, поступающий в преобразователь, включая падающий поток солнечной энергии f σ Ts4, поток энергии (1-f) σ Ta4 из окружающей среды и поток энергии, излучаемый преобразователем, тогда составляет:

Q1 = f σ Ts4 + (1 − f) σ Ta4 − σ Tc4E21

КПД двигателя Мюзера (двигатель Карно):

Температуру преобразователя можно извлечь из η M :

А КПД солнечной энергии определяется как отношение переданная работа падающему потоку солнечной энергии:

, следовательно,

ηS = ηM [1+ (1 − f) (1 − ηM) 4−1 (1 − ηM) 4Ta4f Ts4] E25

Тогда максимальная эффективность солнечной энергии является функцией двух параметров; КПД Müser и температура окружающей среды.Из трехмерного изображения на рисунке 6 солнечной эффективности ( η s ) относительно КПД Müser η M и окружающей температуры T a , эффективность высока, как температура очень низкая и исчезает при очень высокой температуре (поскольку T a приближается к солнечной температуре). Для T a = 289,23 K КПД равен 12.79%, если температура солнца 6000 ° K .

Рис. 6.

Поверхность солнечной эффективности ηs (ηM, Ta), Солнце как черное тело при Ts = 6000 ° K.

Общее выражение солнечной эффективности двигателя Мюзера получается, когда вводится коэффициент концентрации солнечного излучения C :

ηS = ηM [1+ (1 − C f) (1 − ηM) 4−1 (1− ηM) 4Ta4C f Ts4] E26

По сравнению с двигателем с КПД Карно КПД двигателя Müser, даже когда C является максимальным, остается низким.

Если отношение Ta4 / f Ts4 установлено на 1/4, как в [5], что дает хорошее приближение для температуры окружающей среды, T a = 289,23 K , с T с = 6000 К .

Следовательно, соответствующее η S становится:

ηS = ηM [1+ (1 − C f) (1 − ηM) 4−14 (1 − ηM) 4] E27

В предположении T a = 289,23 K максимальная эффективность без концентрации, т. е.е. солнечный элемент видит Солнце под телесным углом ω s составляет 12,79%, что лучше, чем предсказанное значение Würfel [7], но все же очень низкое, как показано на рисунке 8. Для концентрации, равной 10 100 и C MAX , КПД достигает 33,9, 54,71 и 85,7% соответственно.

Рис. 7.

Максимальный КПД солнечной энергии с использованием двигателя Müser для различных уровней концентрации (C = 1, 10, 100 и Cmax) с пределом КПД Карно как функция температуры окружающей среды.

Рис. 8.

Эффективность использования солнечной энергии с использованием двигателя Müser для различных уровней концентрации (C = 1, 10, 100 и Cmax) в зависимости от эффективности Müser.

Промышленные солнечные элементы n-типа с КПД> 20%

Кремниевые вафельные солнечные элементы

Солнечные элементы с кремниевой пластиной. Сингапурский научно-исследовательский институт солнечной энергии Армина Аберле (SERIS), Национальный университет Сингапура (NUS), апрель 2009 г. 1 1.PV Некоторые фоновые фотоэлектрические элементы (PV): Прямое преобразование

Подробнее

Солнечные фотоэлектрические (PV) элементы

Солнечные фотоэлектрические элементы. Тема дополнения к: Микрооптические датчики Mi ti l S - МЭМС для производства электроэнергии. Наука о кремниевых фотоэлементах. Научная база для солнечной фотоэлектрической энергии. Дополнительная информация

БУДУЩЕЕ СОЛНЕЧНОЙ ИНДУСТРИИ

БУДУЩЕЕ СОЛНЕЧНОЙ ИНДУСТРИИ Эйке Р.Институт Вебера Фраунгофера для систем солнечной энергии ISE и Фрайбургский университет, Германия Ecosummit 2015 Берлин, 20 мая 2015 г. Исследование Fraunhofer ISE для

Дополнительная информация

Полупроводники, диоды, транзисторы

Полупроводники, диоды, транзисторы (Хорст Валь, презентация QuarkNet, июнь 2001 г. ) Электропроводность! Энергетические зоны в твердых телах! Зонная структура и проводимость Полупроводники! Собственные полупроводники!

Дополнительная информация

БОЛЬШЕ СИЛЫ.ЛУЧШИЕ ИНВЕСТИЦИИ.

SUNPOWERCORP.COM ШТАБ-КВАРТИРА В США SunPower Corporation 3939 N. 1st Street San Jose, California 95134 USA 1-800-SUNPOWER sunpowercorp.com БОЛЬШЕ МОЩНОСТИ. ЛУЧШИЕ ИНВЕСТИЦИИ. Основана в 1985 г.

Дополнительная информация

КОНКУРЕНТНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

КОНКУРЕНТНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 25 июня 2008 г. Конечный рынок будет зависеть от приведенной стоимости энергии.На этом раннем этапе развития конкуренция измеряется на основе технологий и

Дополнительная информация

ТЕРМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Номинальная рабочая температура ячейки (noct) [C] 48,2 ± 2 48 Температурный коэффициент P MPP [% K] -0,41-0,47 Температурный коэффициент I SC [% K] 0,05 0,04 Температурный коэффициент U OC [% K]

Дополнительная информация

Устойчивость Solar PV

Томас Эдисон однажды сказал; Для того, чтобы иметь отличную идею, имейте как можно больше. Поскольку полмира ждет участь разрекламированных и окруженных бесчисленными противоречиями Киотский протокол

Дополнительная информация

Тонкий внутри, но не слишком тонкий!

Тонкий внутри, но не слишком тонкий! К.V. Ravi Crystal Solar, Inc. Резюме Обращается внимание на компромисс между толстыми (~ 170 микрон) фотоэлектрическими элементами на основе кремния и тонкими (несколько микрон) пленочными фотоэлектрическими элементами из некремниевого и аморфного кремния. Дополнительная информация

Наружные солнечные модули ASI OEM

СОЛНЕЧНАЯ ФОТОЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА ASI OEM OUTDOOR E ASI OEM Внешние солнечные модули для инновационных автаркических электронных устройств Больше энергии Двойные ячейки Стабильная производительность Надежность и качество Сделано в Германии Дополнительная информация

Солнечная энергетика

Модули онлайн-обучения по фотоэлектрической инженерии солнечной энергии Начиная со 2 июня 2014 года Фрайбургский университет в сотрудничестве с Fraunhofer будет предлагать бесплатные специальные учебные модули по солнечной энергии

Дополнительная информация

Лаборатория открытий солнечной энергии

Задача лаборатории Solar Energy Discovery. Построить цепи с солнечными элементами, включенными последовательно и параллельно, и проанализировать полученные характеристики.Введение Фотоэлектрический солнечный элемент преобразует лучистую (солнечную) энергию

Дополнительная информация

Материалы имеют значение для более высокой прибыли

Материалы имеют значение для более высокой отдачи Инновации в фотоэлектрической технике: на пути к успеху Инициатива солнечной энергетики в Европе Милан, 7 мая 2013 г. Стефан Падлевски, доктор философии, менеджер по маркетингу, DuPont Photovoltaic Solutions

, Европа, Ближний Восток и Африка Дополнительная информация

Добро пожаловать в SCHOTT Solar

SolarInnovativ Thüringen Добро пожаловать в компанию SCHOTT Solar, крупнейшего в Европе производителя компонентов солнечной энергии для солнечных панелей EFG, ein kostengünstiges Produktionsverfahren für Si-Wafer Dr. Инго А. Швиртлих SolarInnovativ

Дополнительная информация

Сбор света для высокоэффективных недорогих солнечных элементов | Engineering

В первичной реакции преобразования энергии при фотосинтезе электроны переносятся через серию окислительно-восстановительных реакций через фотосинтетическую мембрану. Хотя фотосинтез оптимизирован для производства химической энергии, система преобразования может, при определенных обстоятельствах, также производить электричество.

Центр фотосинтетической реакции разделяет с солнечным элементом фундаментальную задачу: как наиболее эффективно улавливать солнечное излучение. Эта проблема особенно остро стоит в солнечных элементах из кристаллического кремния (преобладающая сегодня фотоэлектрическая технология), поскольку кремний является плохим оптическим поглотителем. Биологические организмы разработали гениальный способ решения этой проблемы. Он называется сбором света и включает перенос энергии возбуждения (а не заряда) для увеличения сечения оптического захвата фотохимической реакции. На каждую молекулу хлорофилла, которая участвует в разделении зарядов, сотня или более других молекул (хлорофилл, а также другие вспомогательные пигменты) захватывают энергию солнечного света посредством сбора света. Мы пытаемся использовать аналогичную философию для улучшения работы солнечных элементов.

Фотосинтез и солнечные элементы

На фундаментальном уровне проект направлен на разработку оптимального солнечного элемента, в котором поглощение света и разделение заряда происходят в отдельных частях устройства, каждая из которых, возможно, использует разную структуру и разные материалы.Такое разделение ролей может обеспечить эффективное поглощение света и преобразование энергии в компактном устройстве с низкими требованиями к материалам и низкой стоимостью. Если для захвата солнечного излучения используется наномолекулярная структура, свет поглощается в узкополосных электронных состояниях с небольшой диссипацией энергии на фононы, и эти структуры будут иметь большой потенциал для реализации технологий «третьего поколения» для достижения очень высокой общей эффективности преобразования. .

Конечная структура, возможно, однажды может иметь форму фоточувствительного кремниевого нанопровода солнечного элемента (см. Рисунок).Наше текущее исследование сосредоточено на более прозаической планарной структуре с задачей создать субмикронный фотосенсибилизированный кристаллический кремниевый солнечный элемент с эффективностью, приближающейся к значениям, аналогичным стандартным солнечным элементам. Исследование набирает обороты, и были пройдены важные вехи:

Был изготовлен и охарактеризован ультратонкий c-Si солнечный элемент (возможно, самый тонкий в мире элемент c-Si) [ см. Публикации ]

  • Флуоресцентное тушение красителей вблизи поверхности кремния было убедительно продемонстрировано [ см. Публикации ]
  • Органические структуры были ковалентно прикреплены к кремнию, демонстрируя хорошие свойства пассивирования поверхности (см. Публикации)
  • Попутно мы разработали новый метод поверхностной рекомбинации на основе зонда Кельвина [ см. Публикации ]

Объяснение ячейки PERC

7.Отличается ли технология PERC лучшими характеристиками при слабом освещении?
Параллельно с развитием технологии PERC мы видели, как в таблицах данных появляются аргументы, связанные с улучшением производительности при слабом освещении. В таком случае законно задаться вопросом, связаны ли эти два факта. Хотя это правда, что вы найдете модули на основе PERC с улучшенными характеристиками при слабом освещении, они не имеют ничего общего с технологией ячеек PERC. Все сотовые технологии имеют потенциал для повышения производительности в условиях низкой освещенности , и мы рассмотрим эту тему в следующей записи блога .

8. Проблемы, связанные с технологией
Как и для любой новой технологии, задача технологии PERC заключается в том, чтобы иметь возможность масштабировать технологию при одновременном контроле процесса. В компании aleo мы всегда ценим ноу-хау, и мы определенно можем производить эти элементы. Среди проблем, связанных с технологией PERC, две более подвержены влиянию владельца панели, оснащенной этой технологией.
Первый связан со световой деградацией.LID - это эффект, при котором модуль теряет часть своей мощности после первого воздействия света. Это объясняет, почему производители с линейными гарантиями никогда не гарантируют 100% мощности по истечении первого года. Из-за более высоких уровней допирования, обычно применяемых в элементах PERC, отрицательный эффект из-за LID увеличивается с технологией PERC по сравнению со стандартными ячейками с Al-BSF.
Существует также тема о потенциальной индуцированной деградации. Было опубликовано множество статей и статей, поднимающих этот вопрос, особенно для поликристаллического PERC.Это нетривиально, поскольку такого рода дефект может полностью повредить работу силовой установки. Лучшая рекомендация, которую мы можем сделать в отношении этой проблемы, - убедиться, что поставляемые вами модули имеют сертификат в соответствии с IEC TS 62804 на сопротивление PID, и что есть доверие к последовательности, которую производитель применяет к выбору материалов и процессам, чтобы гарантировать производство без PID.

Источники

[1]: А.У. Блэкерс, А. Ван, А. М. Милн, Дж. Чжао, М. А. Грин, Кремниевый солнечный элемент с КПД 22,8% , Appl. Phys. Lett. 55 (1989) 1363–1365.
[2]: Zhao J; Ван А; Киверс MJ; Green MA, 2000, Высокоэффективные ячейки PERT на подложках Si p-типа SEH и ячейки PERT на подложках Si n-типа SHE

[3]: M.A. Green, Пассивированный излучатель и задний элемент (PERC): от концепции до массового производства , Solar Energy Materials & Solar Cells 143 (2015) 190–197

[4]: ​​М.А. Грин, Сорок лет исследований в области фотоэлектрической энергии в UNSW , Журнал и материалы Королевского общества Нового Южного Уэльса, вып. 148, ном. 455 и 456, стр. 2-14

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *