Aurinkoenergia akku

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 31. heinäkuuta 2022 tarkistetusta versiosta . vahvistus vaatii 1 muokkauksen .

Aurinkoakku , aurinkopaneeli  - yhdistelmä valosähköisiä muuntimia ( valokennoja ) - puolijohdelaitteita , jotka muuttavat aurinkoenergian suoraan tasavirraksi , toisin kuin aurinkokeräimet , jotka lämmittävät lämmönsiirtomateriaalia .

Aurinkoenergian tutkimuksen kohteena ovat erilaiset laitteet, jotka mahdollistavat auringonsäteilyn muuntamisen lämpö- ja sähköenergiaksi ( kreikkalaisesta helios Ήλιος , Helios - "Aurinko"). Aurinkosähkökennojen ja aurinkokeräinten tuotanto kehittyy eri suuntiin. Aurinkopaneelit ovat erikokoisia, laskimiin rakennetuista autojen ja rakennusten katoille.

Yleensä aurinkovoimala koostuu yhdestä tai useammasta aurinkopaneelista, invertteristä ja joissain tapauksissa akusta ja aurinkoseurantalaitteesta.

Historia

Vuonna 1842 Alexandre Edmond Becquerel havaitsi vaikutuksen, joka muuttaa valon sähköksi. Charles Fritts alkoi käyttää seleeniä valon muuttamiseksi sähköksi .  Ensimmäiset aurinkokennojen prototyypit loi italialainen fotokemisti Giacomo Luigi Chamician .

25. huhtikuuta 1948 Bell Laboratoriesin asiantuntijat ilmoittivat luovansa ensimmäiset sähkövirtaa tuottavat piipohjaiset aurinkokennot. Tämän löydön teki kolme yrityksen työntekijää - Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin ja Gerald Pearson. Heidän aurinkoakun hyötysuhde oli 6 % [1] . Lehdistötilaisuuden aikana akku toimi onnistuneesti virtalähteenä lelulle "maailmanpyörä" ja radiolähettimelle [2] . Jo 10 vuotta myöhemmin, 17. maaliskuuta 1958, USA:ssa laukaistiin aurinkopaneeleilla satelliitti - Avangard-1 . 15. toukokuuta 1958 Neuvostoliitto laukaisi myös aurinkopaneelien avulla satelliitin - Sputnik-3 .

Aurinkokennojen tyypit

Kolmen tyyppisiä aurinkokennoja. Jokainen näistä aurinkokennotyypeistä on valmistettu ainutlaatuisella tavalla ja niillä on erilainen estetiikka.

  1. yksikiteinen
  2. Monikiteinen
  3. Ohutkalvo aurinkokennot

Käyttö

Kannettava elektroniikka

Tarjoaa sähköä ja / tai ladata akkuja erilaisista kulutuselektroniikasta - laskimet, soittimet, taskulamput jne.

Sähköautot

Sähköautojen lataamiseen .

Ilmailu

Yksi hankkeista luoda lentokone, joka käyttää vain aurinkoenergiaa, on Solar Impulse .

Rakennusten energiahuolto

Suurikokoisia aurinkokennoja, kuten aurinkokeräimiä, käytetään laajalti trooppisilla ja subtrooppisilla alueilla, joilla on paljon aurinkoisia päiviä. Erityisen suosittuja Välimeren maissa , joissa ne sijoitetaan talojen katoille.

Uusissa espanjalaisissa kodeissa on maaliskuusta 2007 lähtien aurinkoenergialla toimivia vedenlämmittimiä , jotka vastaavat 30–70 % niiden kuuman veden tarpeesta riippuen kodin sijainnista ja odotetusta vedenkulutuksesta. Muissa kuin asuinrakennuksissa (ostoskeskukset, sairaalat jne.) on oltava aurinkosähkölaitteet [ 3] .

Tällä hetkellä siirtyminen aurinkopaneeleihin aiheuttaa paljon kritiikkiä ihmisten keskuudessa. Tämä johtuu sähkön hinnan noususta, luonnonmaiseman sotkusta. Aurinkopaneeleihin siirtymisen vastustajat arvostelevat tällaista siirtymistä, koska aurinkopaneeleja ja tuulipuistoja asentavien talojen ja maa-alueiden omistajat saavat valtion tukea, kun taas tavalliset vuokralaiset eivät. Tältä osin Saksan liittovaltion talousministeriö on kehittänyt lakiesityksen, jonka avulla lähitulevaisuudessa voidaan ottaa käyttöön etuja taloissa asuville vuokralaisille, jotka saavat energiaa aurinkosähkölaitoksista tai lohkolämpövoimalaitoksista. Vaihtoehtoisia energialähteitä käyttävien talojen omistajille maksettavien tukien ohella suunnitellaan tukien maksamista näissä taloissa asuville vuokralaisille. [neljä]

Asutusten energiahuolto

Tien pinta

Aurinkopaneelit tienpinnana :

Käytä avaruudessa

Aurinkopaneelit ovat yksi tärkeimmistä tavoista saada sähköenergiaa avaruusaluksissa : ne toimivat pitkään kuluttamatta mitään materiaaleja ja ovat samalla ympäristöystävällisiä, toisin kuin ydin- ja radioisotooppienergialähteet .

Lentäessä suurella etäisyydellä Auringosta niiden käyttö tulee kuitenkin ongelmalliseksi, koska auringon energiavirta on kääntäen verrannollinen etäisyyden Auringosta neliöön. Marsissa aurinkopaneelien teho on puolet Maan tehosta, ja aurinkokunnan jättiläisten kaukaisten planeettojen lähellä teho putoaa niin paljon, että aurinkopaneelit ovat lähes täysin hyödyttömiä . Lentäessä sisäplaneetoille , Venukselle ja Merkuriukselle , aurinkoparistojen teho päinvastoin kasvaa merkittävästi: Venuksen alueella 2 kertaa ja Merkuriuksen alueella 6 kertaa.

Lääketieteellinen käyttö

Etelä-Korean tutkijat ovat kehittäneet ihonalaisen aurinkokennon. Ihmisen ihon alle voidaan istuttaa pieni energialähde, jotta varmistetaan kehoon istutettujen laitteiden, kuten sydämentahdistimen, sujuva toiminta. Tällainen akku on 15 kertaa ohuempi kuin hiukset ja se voidaan ladata, vaikka aurinkovoidetta levitettäisiin iholle [8] .

Valokentojen ja moduulien tehokkuus

Auringon säteilyvuon teho Maan ilmakehän sisäänkäynnissä (AM0) on noin 1366 wattia [9] neliömetriä kohti (katso myös AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D [10] [11] ) . Samaan aikaan auringon säteilyn ominaisteho Euroopassa hyvin pilvisellä säällä, jopa päiväsaikaan, voi olla alle 100 W/m² [12] . . Tavallisten kaupallisesti tuotettujen aurinkokennojen avulla tämä energia on mahdollista muuntaa sähköksi 9-24 %:n hyötysuhteella . Vuonna 2020 aurinkopaneelien hinta on laskenut 0,15 - 0,33 USD/W paneelin tyypistä ja tehosta riippuen [13] . Vuonna 2019 teollisilla aurinkovoimaloilla tuotetun sähkön hinta oli 0,068 USD/kWh [14] . Vuonna 2021 aurinkokennojen tukkuhinta on laskenut 0,07 - 0,08 USD/W [15] .

Valokennot ja moduulit on jaettu tyypin mukaan ja ne ovat: yksikiteinen, monikiteinen, amorfinen (joustava, kalvo).

Vuonna 2009 Spectrolab (Boeingin tytäryhtiö) esitteli aurinkokennon, jonka hyötysuhde oli 41,6 % [16] . Tammikuussa 2011 tämän yrityksen aurinkokennojen odotettiin tulevan markkinoille 39 prosentin hyötysuhteella [17] . Vuonna 2011 Kaliforniassa sijaitseva Solar Junction saavutti 43,5 prosentin tehokkuuden 5,5 x 5,5 mm:n valokennon osalta, mikä on 1,2 prosenttia edellisestä ennätyksestä [18] .

Vuonna 2012 Morgan Solar loi Sun Simba -järjestelmän polymetyylimetakrylaatista (pleksilasi), germaniumista ja galliumarsenidista yhdistämällä rikastimen paneeliin, johon on asennettu valokenno. Järjestelmän tehokkuus paneelin kiinteässä asennossa oli 26-30 % (riippuen vuodenajasta ja kulmasta, jossa Aurinko sijaitsee), mikä on kaksi kertaa kiteiseen piiin perustuvien valokennojen käytännöllinen hyötysuhde [19] .

Vuonna 2013 Sharp loi kolmikerroksisen valokennon, jonka koko on 4 × 4 mm, joka perustuu indiumgalliumarsenidiin ja jonka hyötysuhde oli 44,4 % [20] , ja ryhmän asiantuntijoita Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems -instituutista, Soitecista, CEA-Letistä ja Helmholtzin mukaan nimetyssä Berliinin keskustassa he loivat valokennon Fresnel-linsseillä , joiden tehokkuus oli 44,7 %, mikä ylitti oman saavutuksensa 43,6 % [21] . Vuonna 2014 Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems loi aurinkoparistoja, joissa valon fokusoinnin ansiosta erittäin pieneen valokennoon linssillä hyötysuhde oli 46 % [22][23] .

Vuonna 2014 espanjalaiset tutkijat kehittivät piistä aurinkosähkökennon, joka pystyy muuttamaan Auringon infrapunasäteilyn sähköksi [24] .

Lupaava suunta on nanoantenneihin perustuvien valokennojen luominen , jotka toimivat pienessä antennissa (luokkaa 200-300 nm) valon (eli noin 500 THz:n taajuuden sähkömagneettisen säteilyn) indusoimien virtojen suoralla tasasuuntauksella. . Nanoantennit eivät vaadi tuotantoon kalliita raaka-aineita ja niiden potentiaalinen hyötysuhde on jopa 85 % [25] [26] .

Myös vuonna 2018, kun flekso-valosähkövaikutus löydettiin, löydettiin mahdollisuus lisätä aurinkokennojen tehokkuutta [27] . Kuumien kantajien (elektronien) käyttöiän pidentymisen vuoksi niiden tehokkuuden teoreettinen raja on noussut kerralla 34 prosentista 66 prosenttiin [28] .

Vuonna 2019 venäläiset tutkijat Skolkovon tiede- ja teknologiainstituutista (Skoltech) , epäorgaanisen kemian instituutista. A.V. Nikolaev Venäjän tiedeakatemian (SB RAS) Siperian sivuliikkeestä ja RAS :n kemiallisen fysiikan ongelmien instituutista sai täysin uuden puolijohdemateriaalin aurinkokennoihin, josta puuttuu suurin osa nykyään käytettyjen materiaalien puutteista [29] . Ryhmä venäläisiä tutkijoita julkaisi lehdessä Journal of Materials Chemistry A [30] tulokset työstään, joka koski heidän kehittämänsä uuden puolijohdemateriaalin käyttöä aurinkokennoissa - monimutkaista polymeeristä vismuttijodidia ({[Bi 3 ). I 10 ]} ja {[BiI 4 ] } ), jotka ovat rakenteellisesti samanlaisia ​​kuin mineraaliperovskiitti (luonnollinen kalsiumtitanaatti), joka osoitti ennätyksellisen valon muuntumisnopeuden sähköksi. [30] [31] Sama tutkijaryhmä loi toisen samanlaisen puolijohteen, joka perustui monimutkaiseen antimonibromidiin, jolla on perovskiitin kaltainen rakenne. [32] [33]


Laboratorio-olosuhteissa saavutetut valokennojen ja moduulien maksimitehokkuusarvot [34]
Tyyppi Valosähköinen muuntokerroin, %
Pii 24.7
Si (kiteinen)
Si (monikiteinen)
Si (ohutkalvonsiirto)
Si (ohutkalvo-alimoduuli) 10.4
III-V
GaAs (kiteinen) 25.1
GaAs (ohutkalvo) 24.5
GaAs (monikiteinen) 18.2
InP (kiteinen) 21.9
Ohut kalkogenidien kalvot
CIGS (valokenno) 19.9
CIGS (alimoduuli) 16.6
CdTe (valokenno) 16.5
Amorfinen/nanokiteinen pii
Si (amorfinen) 9.5
Si (nanokiteinen) 10.1
Valokemiallinen
Perustuu orgaanisiin väriaineisiin 10.4
Perustuu orgaanisiin väriaineisiin (alamoduuli) 7.9
Luomu
orgaaninen polymeeri 5.15
Monikerroksinen
GaInP/GaAs/Ge 32.0
GaInP/GaAs 30.3
GaAs/CIS (ohutkalvo) 25.8
a-Si/mc-Si (ohut alimoduuli) 11.7

Aurinkokennojen tehokkuuteen vaikuttavat tekijät

Valokennojen rakenteen ominaisuudet heikentävät paneelien suorituskykyä lämpötilan noustessa.

Paneelin osittainen himmennys aiheuttaa lähtöjännitteen pudotuksen valaisemattoman elementin häviöiden vuoksi, mikä alkaa toimia loiskuormana. Tämä epäkohta voidaan poistaa asentamalla ohitus paneelin jokaiseen valokennoon. Pilvisellä säällä suoran auringonvalon puuttuessa paneelit, jotka käyttävät linssejä säteilyn keskittämiseen, muuttuvat erittäin tehottomiksi, koska linssin vaikutus häviää.

Aurinkosähköpaneelin käyttöominaisuuksista näkyy, että suurimman hyötysuhteen saavuttamiseksi tarvitaan oikea kuormitusvastusvalinta. Tätä varten aurinkosähköpaneeleja ei ole kytketty suoraan kuormaan, vaan käytetään aurinkosähköjärjestelmän hallintaohjainta, joka varmistaa paneelien optimaalisen toiminnan.

Aurinkovoiman haitat

Aurinkovoimaloita arvostellaan korkeista kustannuksista sekä monimutkaisten lyijyhalogenidien alhaisesta stabiilisuudesta ja näiden yhdisteiden myrkyllisyydestä. Lyijyttömät puolijohteet esimerkiksi aurinkoakkuihin, jotka perustuvat vismuttiin [30] ja antimoniin , kehitetään aktiivisesti .

Aurinkopaneelit kuumenevat erittäin alhaisesta hyötysuhteestaan, joka on parhaimmillaan 20 prosenttia. Loput 80 prosenttia auringonvalon energiasta lämmittää aurinkopaneelit noin 55 °C:n keskilämpötilaan. Kun aurinkokennon lämpötila nousee 1 °C:lla, sen hyötysuhde laskee 0,5 %. Jäähdytysjärjestelmien aktiiviset elementit (tuulettimet tai pumput), jotka pumppaavat kylmäainetta, kuluttavat huomattavan määrän energiaa, vaativat säännöllistä huoltoa ja heikentävät koko järjestelmän luotettavuutta. Passiivisten jäähdytysjärjestelmien suorituskyky on erittäin heikko, eivätkä ne pysty selviytymään aurinkopaneelien jäähdytystehtävästä [36] .

Aurinkomoduulien tuotanto

Hyvin usein yksittäiset valokennot eivät tuota tarpeeksi tehoa. Siksi tietty määrä aurinkokennoja yhdistetään niin sanotuiksi aurinkosähkömoduuleiksi ja vahvikkeet asennetaan lasilevyjen väliin. Tämä koontiversio voidaan täysin automatisoida [37] .

Top 6 valmistajaa

Suurimmat aurinkokennojen valmistajat (kokonaisteholla mitattuna) vuonna 2020 [38] . [39]

  1. auringon voimaa
  2. LONGi
  3. Jinko Solar
  4. Trina Solar
  5. JA Solar
  6. Kanadan aurinko

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Perlin, John. Silicon aurinkokennot täyttivät 50  vuotta . National Renewable Energy Laboratory (NREL) (elokuu 2004).
  2. ↑ Tämä kuukausi fysiikan  historiassa . www.aps.org . Haettu: 13. maaliskuuta 2021.
  3. ↑ Espanja vaatii uusia rakennuksia aurinkosähköllä
  4. ↑ Aurinkopaneelitalojen vuokralaisille maksetaan avustusta , Germania.one .
  5. ↑ Ranska rakentaa 1000 kilometriä aurinkopaneeleilla varustettuja teitä
  6. ↑ Ranska avaa ensimmäisen aurinkopaneelitien , theUK.one .
  7. ↑ Autonominen aurinkoenergialla toimiva liikennevalo - osta Moskovassa, hinta . lumenstar.ru Haettu: 5.11.2019.
  8. ↑ TASS: Tiede - Etelä-Korean tutkijat ovat luoneet ihonalaisen aurinkopariston
  9. ↑ "Aurinkospektri: Ilmamassan nolla"
  10. ↑ "Solar Photovoltaic Technologies" (linkki ei saatavilla) . Käyttöpäivä: 7. helmikuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 26. toukokuuta 2012. 
  11. ↑ "Auringon spektrisäteilyn vertailu: Ilmamassa 1,5"
  12. ↑ Perustuu materiaaleihin: www.ecomuseum.kz  (pääsemätön linkki)
  13. ↑ p.v.-lehti. Moduulin   hintaindeksi ? . p.v.magazine International . Haettu: 22. helmikuuta 2021.
  14. ↑ Uusiutuvan sähkön tuotantokustannukset vuonna  2019 . /julkaisut/2020/kesäkuu/Renewable-Power-Costs-in-2019 . Haettu: 22. helmikuuta 2021.
  15. ↑ 5bb Polycrystalline Pepper 156.75mm 157mm Mcce High Efficiency PID Resistant Tuv Certificate Half Cut Poly Price Solar Cells - Osta 5bb Poly Solar Cell, 156 5bb Solar Cell Polycrystalline, Half Cut Solar Cell on Allicr Solar Solar Cell . www.alibaba.com . Käyttöönottopäivä: 23.4.2021.
  16. ↑ Australialaiset tekivät uuden aurinkopaneelien tehokkuusennätyksen (pääsemätön linkki) . kalvo . Membrana (28. elokuuta 2009). Haettu 6. maaliskuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 25. kesäkuuta 2012. 
  17. ↑ Aurinkopaneelit tulevat markkinoille ennätysteholla . kalvo . Membrana (25. marraskuuta 2010). Haettu: 6. maaliskuuta 2011.
  18. ↑ Solar Junction rikkoi keskitetyn aurinkomaailman ennätyksen 43,5 %:n hyötysuhteella
  19. ↑ Kuinka keskittää auringonvalo ilman rikastimia
  20. ↑ Sharp on kehittänyt keskittävän valokennon, jonka hyötysuhde on 44,4 % (pääsemätön linkki) . Haettu 11. heinäkuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 30. maaliskuuta 2014. 
  21. ↑ Uusi valokennoennätys: 44,7 %
  22. ↑ FRUNHOFERIN AURINKOENERGIAJÄRJESTELMÄN INSTITUUTIN TUTKIJAT KEHITTIIN AURINKOAKKUJA, JOITA ON 46 % TEHOKKUUDELLA, JA TÄMÄ ON UUSI MAAILMANENnätys
  23. ↑ Uusi aurinkokennojen hyötysuhteen maailmanennätys 46 % - Fraunhofer ISE
  24. ↑ Täyspii-pallomainen Mie-resonaattorivalodiodi spektrivasteella infrapuna-alueella
  25. ↑ B. Berland. Valokennot ylittävät horisontin : Aurinkotaulujen  optiset suoraviivat . Yhdysvaltain kansallinen uusiutuvan energian laboratorio (2003). Käyttöönottopäivä: 4.4.2015.
  26. ↑ Krasnok A E, Maksimov I S, Denisyuk A I, Belov P A, Miroshnichenko A E, Simovsky K R, Kivshar Yu S. Optiset nanoantennit  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - 2013. - T. 183 , nro 6 . - S. 561-589 . - doi : 10.3367/UFNr.0183.201306a.0561 .
  27. ↑ Aleksanteri Dubov. Fyysikot puristivat lisäenergiaa aurinkopaneeleista . nplus1.ru. Haettu: 25.4.2018.
  28. ↑ Aleksanteri Dubov. Kemistit ovat pidentäneet perovskiittikakkujen kuumien elektronien käyttöikää . nplus1.ru. Haettu: 20.6.2018.
  29. ↑ Sofia Alimova. Venäläiset tutkijat ovat kehittäneet uuden materiaalin aurinkopaneeleihin . Venäjän kansanuutiset. Käyttöönottopäivä: 14.5.2019.
  30. ↑ 1 2 3 Pavel A. Troshin, Vladimir P. Fedin, Maxim N. Sokolov, Keith J. Stevenson, Nadezhda N. Dremova. Polymeeriset jodismutaatit {[Bi3I10 } ja {[BiI4]} N-heterosyklisten kationien kanssa: lupaavia perovskiitin kaltaisia ​​fotoaktiivisia materiaaleja elektroniikkalaitteille]  //  Journal of Materials Chemistry A. — 2019-03-12. — Voi. 7 , iss. 11 . — s. 5957–5966 . — ISSN 2050-7496 . - doi : 10.1039/C8TA09204D .
  31. ↑ Venäjä on kehittänyt uuden puolijohteen aurinkopaneeleihin. Se on myrkytön ja erittäin tehokas! - Hitech . hightech.fm. Käyttöönottopäivä: 14.5.2019.
  32. ↑ Venäjä on luonut uuden puolijohdemateriaalin aurinkopaneeleihin . TASS. Käyttöönottopäivä: 14.5.2019.
  33. ↑ Skoltechin tutkijat kehittävät uusia puolijohdemateriaaleja elektroniikkaan . naked-science.ru. Käyttöönottopäivä: 14.5.2019.
  34. ↑ Valokennojen ja moduulien maksimitehokkuusarvot saavutettu laboratorio-olosuhteissa (pääsemätön linkki) . Nitol Solar Limited. Arkistoitu alkuperäisestä 17. heinäkuuta 2008. 
  35. ↑ Lapaeva Olga Fedorovna. Talouden energiasektorin muutos siirtymässä energiaa säästäviin teknologioihin ja uusiutuviin energialähteisiin  // Orenburgin osavaltion yliopiston tiedote. - 2010. - Ongelma. 13 (119) .
  36. ↑ David Szondy. Stanfordin tutkijat kehittävät itsestään jäähtyviä aurinkokennoja.  (englanniksi) . gizmag.com (25. heinäkuuta 2014). Haettu: 6.6.2016.
  37. ↑ Aurinkosähkömoduulin valmistus . Haettu 14. elokuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 25. kesäkuuta 2012.
  38. ↑ Thomas Edison. Uusin Tier-1 aurinkopaneeliluettelo 2020 (Q1, Q2 päivitys). aurinko arvostelu.  (englanniksi)  ? . Solar Review (22.5.2020). Käyttöönottopäivä: 20.2.2021.
  39. ↑  Parhaat aurinkovoimayhtiöt  ? (6. heinäkuuta 2021). Käyttöönottopäivä: 1.10.2021.

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat