Архив рубрики: солнечные батареи

Солнечный коллектор

Солнечный коллектор — устройство для сбора энергии излучения Солнца в видимом и инфракрасном спектре.

Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение, прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент называется абсорбент ом; он соединен с теплопроводящей системой. Прозрачный элемент обычно выполняется из закаленного стекла с пониженным содержанием металлов. При отсутствии отбора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагревать воду до 190-200 ° C. Чем больше энергии излучения передается теплоносителю, протекает в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить ее можно, применяя специальное оптическое покрытие, которое не излучает тепла в инфракрасном спектре. Стандартным способом повышения эффективности коллектора стало применение абсорбента из листовой меди из-за ее высокой теплопроводностью.
220px-Sokola

Вакуумный солнечный коллектор

Возможно повышение температуры теплоносителя до 250-300 ° C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счет уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума. Фактически солнечная тепловая труба похожа по строению с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие, улавливает солнечную энергию. Между внешней и внутренней трубками находится вакуум. Именно Ваккумный прослойка дает возможность сохранить около 95% улавливаемой тепловой энергии. Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом, жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. 220px-Vakuumroehrenkollektor_01Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности. Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

Солнечные коллекторы-концентраторы

Повышение эксплуатационных температур до 120-250 ° C возможно путем введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрическим отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких эксплуатационных температур требуются устройства слежения за солнцем.

Параболические концентраторы

Параболические концентраторы имеют форму спутниковой тарелки. Параболический рефлектор управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92% падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплен двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.

В феврале 2 008 года Национальная лаборатория «Sandia» достигла эффективности 31,25% в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга.

В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9-25 кВт. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22-24%, что выше, чем в фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий и т. Д. Без использования кремния «солнечного чистоты». В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98%. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999%.

В 2 001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $ 0,09-0,12 за кВт · ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $ 0,04-0,05 в 2015 — 2020 году.

Компания «Stirling Solar Energy» разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров — до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. К 2010 году будет построено 20 000 параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.

Энергия солнца. Солнечные батареи-набор соединенных между собой элементов

11775590Солнечная энергия — Возобновляемая , натуральный источник энергии . Лучшие образцы полупроводниковых кристаллов сейчас имеют коэффициент полезного действия более 30%. В солнечных батареях есть преимущество перед другими генераторами — сырье , которое они используют никогда не закончится. Кроме того, солнечная батарея не имеет движущихся частей, и может работать почти вечно. Но в данный момент они очень дорогие.
Земля получает практически всю энергию от Солнца . Достигая атмосферы Земли , солнечное излучение частично отражается, преломляется и излучается. Атмосфера как защищает нас от силы солнечной радиации , так и покрывает нас теплоизоляционным покровом, сберегающим необходимое тепло. Есть мнение что Солнце дает Земле в 15.000 раз больше энергии, чем каждый год потребляется человечеством. Это большой источник энергии и есть несколько способов ее использования.
Энергию Солнца можно использовать для обогрева помещений, задействуя соответствующий дизайн. Это называется пассивной солнечной конструкцией, в которой используются окна и расширительные баки для вылова тепла Солнца. Хорошая изоляция и цеплазахавалишча гарантируют удержание тепла . В помещениях с пассивными солнечными конструкциями много естественного света, так что уменьшается необходимость в электрическом освещении.
Другая форма солнечного обогрева использует активную систему. Здесь для сбора солнечного тепла используют панели солнечных батарей, а применение воды или нефти в системе теплообмена позволяет сохранять тепло и распределять его по дому. В больших системах отличными цеплазахавальницами являются бассейны. Активные солнечные системы обычно применяются как дапамагальныя системы горячего водоснабжения и обогрева домов.
Использование солнечной энергии не ограничивается нагреванием воды или помещений. Ученые уже придумали несколько способов преобразования световой энергии Солнца в электрическую .

Разумеется, уменьшение затрат на нагревание воды и помещения — это важно, но область человеческой деятельности не ограничивается этим.

Если мы хотим полностью заменить уголь , нефть или природный газ альтернативными видами топлива , такими как солнечная энергия, нам необходимо найти способ преобразования энергии Солнца в электричество с наименьшими потерями. Для солнечной энергетики существует специальное определение — гелиаэнергетыка (от греческого Helios — Солнце). Солнечные батареи — это набор соединенных между собой Placas-solares2элементов, которые могут преобразовывать энергию солнца в электричество. Они имеют название фотоэлектрическими генераторами и состоят из полупроводниковых элементов.
Однако уже сейчас идет работа по снижению стоимости солнечных батарей, примером может служить калькуляторы и другие приборы с низким применением электричества. В некоторых странах установка солнечных генераторов на крыши домов имеет массовый характер. Например, в Швейцарии в данный момент построено более 2600 гелиавстановак на фотаперавтваральниках мощностью от одного до 1000 киловатт.
Кроме традиционных кремниевых фотоэлементов ученые разработали несколько новых технологий, например синтетические волокна, которые под воздействием света могут вырабатывать электрический ток. Его мощь достаточно для потребления маломощными устройствами. Например рубашка сшитая из такого материала может питать карманный компьютер , сотовый телефон и т.д. Эту ткань можно даже стирать и она не потеряет своей работоспособности. Из нее можно создать парус на яхте , который будет питать бортовой генератор и всю бортовую электронику.

Еще одна перспективная разработка — производство солнечных батарей с использованием полимерных пленок, которые отличаются от кремниевой отличной гибкостью так что их можно наносить на любые материалы. Например, благодаря такой разработке можно создать сотовый телефон, который своей поверхностью будет вырабатывать электричество для питания своего аккумулятора . Или автомобиль , поверхность которого может вырабатывать электричество, чтобы уменьшить нагрузку на аккумулятор. Но пока это разработка имеет недостатки, например низкий коэффициент полезного действия всего 1,7%.
Но разработки ведутся повышенными темпами и в ближайшее время можно ожидать новые солнечные батареи из нового гибкого материала с высоким КПД

Солнечные панели

Панель солнечных батарей , также: фотоэлектрическая панель солнечных батарей — скомпанована и электрически соединена сборник фотоэлектрических ячеек . Солнечная панель может быть использована в качестве фотоэлектрической системы для генерации и поставки электроэнергии в коммерческих и жилых помещений. Выходная мощность при стандартных условиях использования находится в пределах от 100 до 320 ватт.

Преимущества солнечной батареи:

малая масса и габариты;
невысокая стоимость по сравнению, например, с топливными элементами ;
простота конструкции;
длительный срок эксплуатации.

Недостатки:

невозможность производить ночью такую ​​же выходную мощность, как днем, что требует использования аккумулятора или ионистора , который заряжался бы днем для поддержания работы нагрузки в темноте;
резкая зависимость выходной мощности от угла падения лучей на светочувствительную поверхность заставляет использовать автоматические системы ориентирования в пространстве;200px-Solar_panels_in_Ogiinuur невозможность получить мощность с квадратного метра солнечной батареи более 0,1 кВт, используя дешевые материалы;
быстрая деградация фотоэлементов в условиях повышенного радиационного фона и проникающей радиации.
КПД солнечных батарей, состоящих из кремниевых фотодиодов и выпускаются для широкого потребления, обычно достигает 8%, не более.
В специализированных солнечных батарей, фотодиоды которых выполнены из арсенида галлия , КПД достигает 20%.Солнечные батареи с фотодиодов на основе сульфата кадмия , выпускаемые в виде тонких гибких пленок, предназначенные для электропитания аппаратуры космических станций и спутников.
При увеличении температуры окружающей среды выходное напряжение солнечной батареи падает по линейному закону.200px-SolarpanelBp

Применение

В Дании за счет солнечной энергии, которая, в основном, используется для выработки тепла в частном секторе, покрывается от 1/3 до 3/4 потребности в каждом жилом доме, а цена на электроэнергию регулируется Министерством энергетики, и, по состоянию на 2005 год, составила по курсу к российскому рублю 11руб./кВт-г. В Германии до 70% затрат на «соляризацию» домов компенсирует государство.
Кроме того, государством покупается электричество у владельцев «солнечных крыш» по ценам, значительно превышают рыночные: когда днем дом производит энергии много, а потребляет мало — ее излишки уходят в городскую сеть и хозяин получает 80 центов за каждый сданный кВт-ч, ночью же — он сам покупает электричество в той же самой сети, но уже по 20 центов за кВт час. В стране оборудуют солнечными элементами по 0,5 млн. квадратных метров крыш в год.

Панели солнечных батарей был установлен на третьем советском спутнике, выведенном на орбиту 15 мая 1958.

Типы солнечных элементов

Монокристаллические кремниевые солнечные панели – это наиболее эффективный тип из ныне существующих, следовательно, их размер будет наименьшим. Но, как это всегда бывает, и цена у них самая высокая.солнечная ткань

Поликристаллические (или мульти-кристаллические) панели – это самый популярный выбор сегодня, потому как этот тип панелей обеспечивает превосходный баланс производительности и стоимости. Недавние усовершенствования в технологии этого типа солнечных модулей приблизили их к монокристаллическим по эффективности, выносливости и габаритам. Поликристаллические панели приняты европейским рынком в качестве стандарта. Один из ведущих в мире производителей данного типа модулей – REC.

В аморфных (или тонкопленочных) панелях используется наименьшее количество кремния. Этот тип панелей является одним из наименее производительных , однако весьма популярен в странах СНГ.

Выводы

энергии солнцаТаким образом, какие же моменты нужно иметь ввиду при выборе солнечных панелей? Первое – изучите, из каких материалов и по какой технологии производятся те или иные панели. Второе – посмотрите отзывы и исследования о том, как панели разных производителей ведут себя в реальных ситуациях: насколько эффективны и терпимы к жаре. Трете – сравнить гарантийные условия солнечных панелей, которые вы рассматриваете. И последнее, но не менее важное – узнайте больше о производителе.

Солнечные батареи

Photoelectric-E (1)Фотоэлектрическая ячейка , также солнечная ячейка , солнечный элемент , фотогальванический элемент , фотоэлемент , фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) электрическое устройство, которое действует как преобразователь , и служит для преобразования части световой энергии (как правило, видимых и инфракрасных электромагнитных волн ) в электрическую с помощью фотоэлектрического эффекта .
В случае, если несколько фотоэлектрических ячеек определенным образом электрически соединенных между собой, завернутых в пластик , стекло , а для жесткой связи и защиты соединены с использованием алюминиевой рамы — называются солнечной панелью .
«Солнечные батареи» — условное название устройств, которые превращают лучистую энергию солнца в электрическую энергию.

Принцип работы

Фотоэлектрическая ячейка работает в значительной степени как фотодиод , но имеет очень большую площадь кристалла по сравнению с фотодиодом. Фотоэлектрическим эффектом является создание электрического потенциала из материала, который подвергается воздействию света . Фотодиоды имеют прозрачный электрод, через который на электронно-дырочный pn переход поступает свет. Корпуса серебряно-цинковых аккумуляторов изготавливают из пластмассы .

Итак, принцип работы современных фотоэлементов базируется на полупроводниковом pn переходе . При поглощении фотона в области, прилегающей к pn перехода, создается пара носителей заряда : электрон и дырка . Одна из этих частиц является неосновным зарядом и с большой вероятностью проникает сквозь переход. В результате созданы благодаря поглощению энергии фотона заряды разделяются в пространстве и не могут рекомбинировать. Как следствие нарушается равновесие плотности зарядов. При подключении элемента к внешней нагрузки в цепи протекает ток .
Говорят о напряжении холостого хода и ток короткого замыкания. Напряжение холостого хода (V Vo ) — максимальное напряжение (внешняя нагрузка бесконечное), которую может генерировать элемент. А ток короткого замыкания (I SC ), это максимальный ток (когда внешняя нагрузка равна нулю), который может генерировать элемент. В рабочем режиме напряжение и ток являются меньшими, и при определенных значениях (V Max и I Max ) элемент имеет максимальную мощность (P Max ).

Потери в солнечном элементе

Основные необратимые потери энергии в фотоэлементах связанные с:
отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя;
прохождением части излучения через фотоэлемент без поглощения в нем;
рассеянием на тепловых колебаниях кристаллической решетки избыточной энергии фотонов;
рекомбинацией фотопара, образовавшиеся на поверхностях и в объеме фотоэлемента;
внутренним сопротивлением преобразователя,
некоторыми другими физическими процессами.
В августе 2009 г. ученые университета Нового Южного Уэльса достигли рекордной эффективности солнечных батарей — 43% (то есть 43% солнечной энергии превращается в электрическую). Однако, новый рекорд был установлен в лабораторных условиях. Так, свет перед попаданием на батареи было сфокусировано специальными линзами. Кроме того, стоимость всего оборудования далека от значений, которые позволили бы производить ее в промышленных масштабах. Рекорд для одной солнечной батареи в реальных условиях составляет примерно 25%.

Solar_cell

Солнечные панели используют в автономных системах, которые обычно длительный период времени не требуют обслуживания оператора (автоматические приборы радионавигации, космические аппараты и др..) — Служат для электроснабжения в отдаленных районах Земли или на орбитальных станциях, спутниках — где невозможно использовать электросеть . Миниатюрные солнечные панели встраивают в калькуляторы от которых заряжаются встроенные аккумуляторы , а также для питания радиотелефонов, зарядных устройств, насосов.

Материалы

Материалы для эффективных солнечных панелей должны быть согласованы с характеристиками спектра освещения.
Низкая концентрация солнечной энергии предусматривает покрытие Фотовольтаический элементами значительных площадей, а следовательно изготовления достаточного количества кремния для таких элементов. [4] Для продуцирования солнечных фотопреобразователей используют и другие полупроводники, однако в массовом производстве относительно дешевый кремний с его практически неисчерпаемыми запасами сырья не имеет и в ближайшей перспективе не будет конкурентов.
Фотоэлементы изготавливают из различных полупроводниковых материалов. В настоящее время используется для фотоэлектрических солнечных элементов следующие материалы: монокристаллический кремний, поликристаллический кремний, аморфный кремний, теллурид кадмия, арсенид галлия, сульфат кадмия и др.. Процесс изготовления фотоэлемента близок к процессам изготовления других полупроводников.
Монокристаллические фотоэлементы наиболее сложные и дорогие поскольку для их изготовления требуется кристаллический кремний, однако имеют наибольшую эффективность (14% -20% преобразования света в электрическую энергию).
Поликристаллические или мультикристаллические фотоэлементы дешевле чем монокристаллические, однако менее эффективны.
Тонкопленочные фотоэлементы используют тонкие пленки изготавливаемые из расплавленного кремния, сульфата кадмия. Такие фотоэлементы наименее эффективны.
В космических аппаратах используются также многопереходных солнечные элементы или гетерофотоелементы. Такой элемент состоит из нескольких pn переходов (AlGaAs-GaAs), каждый из которых улавливает свет определенного спектра. Такие солнечные элементы достигают наивысшей эффективности — 35%. Большая сложность изготовления таких устройств делает их малораспространенными.
Для повышения эффективности преобразования света также используют концентрувальну оптику.
В настоящее время ведутся исследования по созданию гибких пленочных солнечных элементов, а также полупроводниковых красок, использованию органических полупроводников.

Температурный режим

Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагревании элемента на один градус свыше 25 ° C он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4% / градус. Это представляет проблему для фотоэлементов с концентрувальною оптикой. Поэтому они нуждаются в дополнительном охлаждения.

Солнечная панель

Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом, несколько меняется от одной фирмы-производителя к другому (и даже от одного элемента к другому в одной партии) и составляет около 0,6 В. imagesЭта величина не зависит от размеров элемента и его освещенности. Чтобы повысить выходное напряжение солнечные элементы соединяют последовательно . Такие соединения называют солнечной панелью . Недостатком такого соединения является меньшая надежность, поскольку в случае выхода из строя одного элемента (или просто попадания его в тень) уменьшается ток в целом батареи в целом. Впрочем, солнечные элементы не «боятся» короткого замыкания .
Стандартными условиями для паспортизации солнечных батарей во всем мире признаются такие :
освещенность 1000 Вт / м ²,
температура 25 ° C,
спектр АМ 1,5 (солнечный спектр на широте 45 °).
Стоимость солнечных батарей быстро уменьшается (1970 1 кВт * ч электроэнергии, произведенной с их помощью, стоила $ 60, 1980 г. — $ 1, сейчас — $ 0,20 — $ 0,30 ). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 30% в год, ежегодный объем их продажи превышает (по мощности) 50 МВт.
Австралийцами Х.Холструпом и Л.Перкином сконструировано велосипед на солнечных батареях на котором конструкторы проехали 2500 миль Перти в Сидней. [6] До 1987 года это была самая путешествие, осуществлена ​​когда-либо с использованием солнечной энергии. [6] На трассе этот транспорт двигался со скорость 20 км / час.

Увеличение эффективности солнечных батарей

За эти годы, благодаря преданной исследовательской работе, продолжающейся для того, чтобы увеличить эффективность солнечных батарей, сегодня, солнечные батареи больше не являются плоской формы или непластичными. Крайние солнечные батареи типа тонкой пленки были теперь произведены, которые довольно гибкие и адаптивными для использования в углах, криволинейных и других структурах. Сегодня почти 20 % глобальной генерации солнечной энергии сделаны этими солнечными батареями тонкой пленки и, как ожидают, вырастут больше в ближайшем будущем.

Увеличение эффективности солнечных батарей тонкой пленки

Пленки когда собрано во множество только столь же эффективны как ‘микроканалы’ на пленках, которые помогают преобразовать солнечный свет в электроны, необходимые для производства электроэнергии. До сих пор ’scribing’ микроканалов были сделаны с помощью механического пера, которое является дорогим процессом. Также каналы, столь произведенные, не прекрасны с точными канавками или однородной глубиной. Теперь новое исследование разработало способ сделать канал scribing с помощью лазеров.

Лазер scribing сделанный легким

Исследовательская группа сосредоточилась на способах улучшить scribing микроканалов. Лучше микроканалы, более эффективные, будут солнечными батареями. Они попробовали процесс, названный ‘холодная абляция’, чтобы использовать лучи лазера, высвеченные для только пикосекунд — quadrillionths секунды. Этим путем, пульсирующий лазер помог в создании микроканалов с точными глубинами и четкими схемами, не нанося ущерба солнечным батареям ультратонкой пленки и также в очень быстрой манере.

Превосходство ‘ультракороткого лазера пульса’

Идею использовать лазеры для scribing микроканалы на солнечных батареях тонкой пленки попробовали ранее также. Но управление лазерами писцу точно к правильной глубине и схеме было настоящей трудной задачей. Но теперь с холодной методикой абляции и использованием ‘ультракороткого лазера пульса’, команда нашла успех в создании прекрасных микроканалов. С этой методикой команда смогла управлять лазером даже в глубине на 10-20 миллимикронов.

 

Успех команды

Команда надеется улучшить эффективность солнечных батарей тонкой пленки и также восстановить фактор стоимости. ‘Ультракороткому пульсу, лазерный, ультрабыстрый лазер scribing’ & ‘холодная методика абляции’ улучшат эффективность клеток, и коммерческое производство, чрезвычайно принесут пользу с этим. Как профессор Юнг Шин выражается, “Эффективность солнечных батарей зависит в значительной степени от того, насколько точный Ваш scribing микроканалов — …, Если они сделаны так точно как возможно, эффективность повышается.”

 

Исследовательская группа

Исследовательская группа состоит из Юнга Шина, профессора Машиностроения & Директора Центра Университета Пердью Основанного на лазере Производства, и Гари Ченга, Адъюнкт-профессора Организации производств и Мартина И Занга, Сеунгюна Ли и Венкиэна Ху — аспиранты. Они опубликовали работу на Слушаниях Конференции по Исследованию и Новшеству Разработки ННФ 2011 года в этом январе. Исследование финансировалось Национальным научным фондом с дотацией за 425 000$ в течение трех лет.

Join the Forum discussion on this post