Современные солнечные батареи

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Московский технологический университет"

МТУ МИРЭА

Физико-технологический институт

Кафедра ФКС

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Фотоника»

Тема: «Современные солнечные батареи. Конструкции, основные материалы, КПД, перспективы развития»

Студент группы ЭРБЗ-1-14 3 курса

Яворская Ольга Марьяновна

Научный руководитель

Профессор Шерстюк Н.Э.

Москва 2017

Введение

На дворе уже двадцать первый век, и впору задумываться об использовании альтернативных источников питания, как бы ни хотелось верить, что запасы нефти и иных исчерпаемых ресурсов будет неисчерпаемы, как бы парадоксально это бы не звучало. Так что приходится задумываться о других, альтернативных источниках питания. Вот, к примеру, солнечные батареи вполне могут заменить стандартное «электричество» в нашем нынешнем понимании, если пользоваться электроэнергией несколько экономнее.

Естественно очень и очень многое зависит от того, где будет располагаться ваш дом, а следовательно и солнечные батареи. Можно потратить хоть несколько миллионов долларов на устройство солнечных батарей в какой-нибудь Сибири, но какой собственно в этом смысл, если там просто не будет солнца.

Вряд ли на сегодняшний день найдется человек, возражающий против огромных перспектив, открывающихся перед использованием солнечных батарей. Работая от солнечной энергии, они производят электричество даже зимой. Сегодня на рынке электроприборов можно купить различные солнечные батареи. С помощью одних можно зарядить аккумулятор сотового телефона, другие подойдут для питания ноутбука или прожектора, для освещения подъездов в многоквартирных домах и загородных домов.

Солнечная батарея. Основные материалы, КПД.

Солнечная батарея - так назвали первый кремниевый фотоэлемент. Этот фотоэлемент создан в 1953 г. и представляет собой преобразователь лучистой энергии в электрическую с очень большим для этого класса приборов КПД, достигающим 6%. Современные солнечные батареи значительно превосходят по характеристикам батареи, созданные в 50-х годах и находят широкое применение в различных областях народного хозяйства.

Кремний - элемент, обладающий полупроводниковыми свойствами, расположенный в IV группе периодической системы, второй по распространенности элемент в природе. Атомный вес его 28,06, а порядковый номер 14. Температура плавления кристаллического кремния 1415°С, а температура кипения 2360°С. Электропроводность кремния в зависимости от сорта и числа, введенных в него примесей колеблется в довольно широких пределах. Как и три других элемента IV группы, кремний обладает решеткой типа алмазной.

В течение уже сравнительно многих лет кремний является объектом всесторонних физических исследований. В последние годы физики главное свое внимание сконцентрировали на изучении его электрических свойств. В итоге многолетних исследовательских работ были получены результаты, представляющие большую ценность, как для теорий, так и для практики. Среди этих результатов большое значение имеет метод получения кремния с наперед заданным механизмом проводимости - электронным или дырочным, позволивший разработать кремниевые детекторы. Таким же важным результатом, несомненно, следует считать разработку технологии введения в монокристалл кремния примесей посторонних атомов, позволяющей получать в одном кристалле р -n -переход, на основе которого и был создан кремниевый фотоэлемент с запорным слоем. На основе таких фотоэлементов и была создана солнечная батарея.

Технология изготовления кремниевого фотоэлемента довольно сложна. Она сводится в основном к следующим операциям. Сначала из расплавленного кремния выращивают большие монокристаллы. Взращивание монокристаллов может осуществляться разными способами. Один из них заключается в том, что в расплавленный кремний погружается затравка и очень медленно подымается вверх. Затравка, т. е. небольшой монокристаллик данного вещества, представляет собой кристаллизационный центр, вокруг которого начинается кристаллизация. В процессе медленного подъема затравки начинается постепенное образование монокристалла кремния, который может быть получен достаточно больших размеров. Весь этот процесс проводится в условиях высокого вакуума. Нагрев кремния осуществляется индукционной высокочастотной печью.

Полученные кремниевые монокристаллы разрезают на тонкие пластинки прямоугольной формы. Пластинка обладает электронным механизмом проводимости. Для создания же фотоэлемента с запорным слоем необходима система из двух полупроводников с противоположными механизмами проводимости. Для этого одну из поверхностей пластинки покрывают тонким равномерным слоем бора и в течение некоторого времени прогревают пластинку в электрической печи при непрерывной работе вакуумных насосов. Время диффузионного прогрева подбирается таким образом, чтобы атомы бора за это время успели продиффундировать внутрь пластинки лишь на часть ее толщины. Так как примесь бора к кремнию сообщает последнему дырочную проводимость, то в результате одна часть кремниевой пластинки будет обладать дырочной проводимостью, а вторая часть - электронной. На границе между одной и другой частями образуются р - n - переход и как следствие этого запорный слой. На обеих поверхностях кремниевой пластинки создаются специальным методом металлические электроды, один из которых - полупрозрачный. Затем пластинка помещается в оправку с двумя токовыми выводами.

Отдельные фотоэлементы можно соединять друг с другом последовательно и параллельно, получая, таким образом, фотоэлектрическую (солнечную) батарею. Подобную солнечную батарею можно использовать в неэлектрифицированных районах для питания переносных радиоприемников и передатчиков, телефонных станций и т. п. Даже при уже существующем уровне полупроводниковой техники кремниевые фотоэлементы позволяют получать в ясный солнечный день до 50 вт электроэнергии с каждого квадратного метра поверхности фотоэлемента, т. е. имеют к. п. д. около 6%. Для правильной оценки возможностей фотоэлементов с запорным слоем достаточно напомнить, что паровые двигатели имеют к. п. д. порядка 6-8%. Кроме того, следует иметь в виду, что в отличие от других преобразователей энергии срок службы полупроводниковых фотоэлементов может быть весьма большим, а в некоторых случаях - практически безграничным.

Конструкции солнечных батарей.

Современные зарядные устройства работающие от солнца представлены в следующей небольшой комплектации: кассета под аккумуляторы и солнечная батарея с диодом. Также в комплекте может быть контролер заряда и преобразователь либо же стабилизатор напряжения. Если вы хотите получать от такого аккумулятора переменный ток с напряжением порядка двухсот двадцати вольт, то нужен будет и инвертор.

Термоэлектрические батареи или же генераторы -- это полупроводниковые модули, которые работают по столь широко известному всем принципу термопары, когда мощность которая будет вырабатываться напрямую зависит от разности температур. Кроме того, их можно использовать как нагреватель или же охладитель, при условии, что вы будете направлять через устройство постоянный ток.

На данный момент самая распространённая температура среди термоэлектрических генераторов составляет примерно триста градусов. Обычные размеры -- примерно 4 на 4 сантиметра. Ток, мощность и напряжение примерно 1А, 2Вт и два вольта соответственно. Естественно, к сожалению, такие элементы, как говорилось несколько выше, ни в коем случае нельзя перегревать, так как это опять таки приведёт к необратимым изменениям в структуре самой солнечной батареи, ну и в итоге она придёт в негодность. кремний полупроводниковый фотоэлемент солнечный

Перспективы развития.

О солнечной энергетике и перспективах ее развития ведутся споры и дискуссии уже много лет. Большинство считают солнечную энергетику - энергетикой будущего, надеждой всего человечества. Серьезные инвестиции вкладывает в строительство солнечных электростанций большое количество компаний. Солнечную энергетику стремятся развивать во многих странах мирах, считая ее главной альтернативой традиционным энергоносителям. Германия, являясь далеко не солнечной страной, стала мировым лидеров в этой сфере. Совокупная мощность СЭС Германии растет год от года. Серьезно занимаются разработками в области энергии солнца и в Китае. Согласно оптимистичному прогнозу International Energy Agency, солнечные электростанции к 2050 году смогут производить до 20-25% мировой электроэнергии.

Альтернативный взгляд на перспективы солнечных электростанций базируется на том, что затраты, которые требуются для изготовления солнечных батарей и аккумуляторных систем, в разы превышают прибыль от производимой солнечными электростанциями электроэнергии. Противники этой позиции уверяют, что все как раз наоборот. Современные солнечные батареи способны работать без новых капиталовложений десятки и даже сотни лет, произведенная ими суммарная энергия равна бесконечности. Вот почему в долгосрочной перспективе электроэнергия, полученная с использованием энергии солнца, станет не просто рентабельной, а сверхприбыльной.

Где же истина? Рассмотрим современные подходы в сфере солнечной энергетики и некоторые гениальнейшие идеи, которые на сегодняшний день уже реализованы. Мы попробуем установить КПД солнечных батарей, функционирующих в настоящее время, понять, почему сегодня этот КПД является довольно низким.

Эффективность солнечных батарей в России

Согласно современным исследованиям, солнечная энергия составляет порядка 1367 Ватт на 1 кв.м (солнечная постоянная). На экваторе через атмосферу до земли доходит лишь 1020 Ватт. На территории России с помощью солнечных электростанций (при условии, что КПД солнечных элементов составляет сегодня 16%) в среднем можно получить 163,2 Ватта на квадратный метр.

Если в Москве установить квадратный километр солнечных батарей под углом в 40 градусов (что для Москвы оптимально), то годовой объем выработанной электроэнергии составит 1173*0.16 = 187.6 ГВт*ч. При цене на электроэнергию в 3 рубля за кВт/ч, условная стоимость сгенерированной электроэнергии - 561 млн. рублей.

Наиболее распространенные способы генерации электроэнергии с помощью солнца:

Солнечные тепло-электространции

Громадные зеркала таких солнечных электростанций, поворачиваясь, ловят солнце и отражают его на коллектор. Принцип функционирования таких электрогенерирующих станций основан на преобразовании тепловой энергии солнца в механическую электроэнергию термодинамической машины либо с помощью газопоршневого двигателя Стирлинга, либо с помощью нагрева воды и т.п.

В качестве примера рассмотрим электростанцию Ivanpah (мощность 392 мегаватт), в которую вложил свои средства всемогущий Google. В строительство солнечной электростанции, расположенной в калифорнийской пустыне Мохаве, вложено более двух миллиардов долларов США. На 1 кВт установленной мощности СЭС затрачено 5612 долларов. Многие полагают, что эти затраты, хотя и превышают затраты на сооружение угольных электростанций, гораздо ниже, чем затраты на строительство АЭС. Но так ли это? Во первых, на атомной электростанции, на 1 кВт ее установленной мощности расходуется от 2000 до 4000 долларов, что дешевле, чем затраты, которые пошли на строительство Ivanpah. Во вторых, годовая выработка электроэнергии солнечной электростанции - 1079 ГВт*ч, следовательно, ее среднегодовая мощность 123.1МВт. К тому же, солнечная электростанция станция способна генерировать энергию солнца только в дневные часы. Таким образом, «усредненная» стоимость строительства СЭС доходит до 17870 долларов за 1 кВт, а это довольно значительная цена. Пожалуй, дороже обошлась бы разве что выработка электричества в открытом космосе. Затраты на строительство привычных электростанций, работающих, например, на газе, в 20-40 раз ниже. При этом, в отличие от солнечных электростанций, эти электростанции могут функционировать постоянно, производя электроэнергию тогда, когда в ней есть потребность, а не только в те часы, когда светит солнце.

Но мы знаем, что современные солнечные теплоэлектростанции способны генерировать электроэнергию круглосуточно, используя для этого большой объем нагреваемого в течение всего светового дня теплоносителя. Только стоимость строительства этих станций стараются не слишком афишировать, вероятно, потому, что она является значительной. А если в стоимость проектирования и строительства солнечных электростанций включить аккумуляторы, тем более, строительство гидроаккумулирующих электростанций, то сумма возрастет до фантастических размеров.

Кремниевые солнечные батареи

Сегодня для функционирования СЭС применяются полупроводниковые фотоэлементы, которые представляют собой полупроводниковые диоды большой площади. Влетающий в pn-переход световой квант, генерирует пару электрон-дырка, при этом, на выходах фотодиода создается перепад напряжения (порядка 0,5В).

КПД кремниевой солнечной батареи - порядка 16 %. Почему же КПД столь низок? Для того чтобы сформировать электронно-дырочную пару, требуется определенная энергия. Если прилетевший световой квант обладает малой энергией, то генерации пары не произойдет. В этом случае квант света просто пройдет сквозь кремний, как сквозь обыкновенное стекло. Вот почему кремний является прозрачным для инфракрасного света далее 1.2 мкм. Если же световой квант прилетит с большей энергией, чем требуется для генерации (зеленый свет), пара образуется, но избыток энергии просто уйдет в никуда. При синем и ультрафиолетовом свете (энергия которого является очень высокой), квант может не успеть долететь до самых глубин p-n перехода.

Для того чтобы солнечный свет не отражался от поверхности солнечной батареи, на нее наносится специальное противоотражающее покрытие (такое покрытие наносят и на линзы фотообъективов). Текстуру поверхности делают неровной (в виде гребенки). В этом случае световой поток, отразившись от поверхности один раз, возвращается вновь.

КПД фотоэлементов увеличивают, комбинируя между собой фотоэлементы, на основе различных полупроводников и с разной энергией, необходимой для генерации пары электрон-дырка. Для трехступенчатых кремниевых фотоэлементов достигается КПД в 44% и даже выше. Принцип работы трехступенчатого фотоэлемента основан на том, что сначала ставится фотоэлемент, который эффективно поглощает именно синий свет, а красный и зеленый, пропускает. Второй фотоэлемент поглощает зеленый, третий - ИК. Однако трехступенчатые фотоэлементы сегодня очень дороги, поэтому, повсеместно используются более дешевые одноступенчатые фотоэлементы, которые за счет цены опережают трехступенчатые по показателю Ватт/$.

Гигантскими темпами развивает производство кремниевых фотоэлементов Китай, за счет чего стоимость одного ватта снижается. В Китае она составляет примерно 0,5 долларов за Ватт.

Основными типами кремниевых фотоэлементов являются:

*Монокристаллические

* Поликристаллические

КПД монокристаллических фотоэлементов, которые являются более дорогими, несколько выше (всего лишь на 1 %), чем КПД поликристаллических. Поликристаллические кремниевые фотоэлементы сегодня обеспечивают наиболее дешевую стоимость 1 Ватта генерируемой электроэнергии.

Кремниевые солнечные батареи не могут служить вечно. За 20 лет эксплуатации в условиях агрессивной среды самые совершенные из них теряют до 15-ти процентов своей первоначальной мощности. Есть основания полагать, что в дальнейшем деградациях солнечных батарей замедляется.

Кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало

Изобретатели во всех странах мира предпринимают всевозможные попытки увеличить экономическую рентабельность солнечных электростанций. Если, например, взять маленький эффективный кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало (concentrated photovoltaics), можно достичь КПД в 40 % вместо 16, при этом, зеркало гораздо дешевле, чем солнечная батарея. Но для того чтобы следить за солнцем, требуется надежная механика. Громадная зеркальная поворотная тарелка должна быть надежно укреплена и защищена от мощных ветровых порывов и агрессивных факторов окружающей среды. Вторая проблема заключается в том, что параболические зеркала не могут фокусировать рассеянный свет. Если солнце зашло даже за не плотные тучи, выработка энергии с помощью параболической системы упадет до нуля. У привычных солнечных батарей в этих условиях выработка тепловой энергии тоже серьезно снижается, но не до нуля. Солнечные батареи с параболическими зеркалами слишком дороги по установочной стоимости и затратны в обслуживании.

Круглые солнечные элементы на крышах

Американской компанией Solyndra при поддержки правительства были сконструированы солнечные фотоэлементы круглой формы. Они монтировались на крышах, выкрашенных в белый цвет. Солнечные батареи круглой формы изготавливали путем напыления проводникового слоя (в случае с Solyndra использовался Copper indium gallium (di)selenide) на стеклянные трубы. Фактическая эффективность круглых батарей составляла порядка 8,5 %, что ниже более дешевых кремниевых. Solyndra, получившая государственные гарантии по громадному кредиту, обанкротилась. В технологии, экономическая эффективность от которых была весьма сомнительной с самого начала, американская экономика вложила немалые денежные средства. «Удачное» лоббирование неэффективных технологий - это не только российское ноу-хау.

Большая проблема солнечной энергетики!

Известно, что солнечные электростанции генерируют электроэнергию днем, в то время, как огромная потребность в электричестве возникает как раз таки в вечерние часы. Это значит, что без аккумуляторов солнечные электростанции не будут эффективны. В вечерний пик потребления электричества придется задействовать альтернативные (классические) источники электроэнергии. В дневные часы часть традиционных электростанций придется отключить, а часть - держать в горячем резерве на случай плохой погоды. Если над солнечной электростанцией нависнут тучи, недостающую электроэнергию должна давать резервная. В итоге, классические генерирующие мощности стоят в резерве и теряют прибыль.

Есть еще один путь. Он отражен в проекте Desertec - передача электроэнергии из Африки в Европу. С помощью ЛЭП в вечерний пик потребления электричества можно передавать электроэнергию от СЭС, которые находятся в тех районах земного шара, где в это время в разгаре солнечный день. Но этот способ до перехода на сверхпроводники требует огромных финансовых затрат, а также, всевозможных согласований между разными государствами.

Использование аккумуляторов

Мы выяснили, что в среднем стоимость одного Ватта, произведенного солнечной батареей - 0,5 доллара. В течение дня (8 часов) батарея способна сгенерировать в пределах 8-ми Вт*ч. Эту энергию необходимо сохранить до вечернего пика потребления электричества.

Литиевые аккумуляторы, разработанные в Китае, стоят приблизительно 0,4 доллара за Вт*ч, следовательно, для солнечной батареи стоимостью 0,5 доллара, на 1 Вт будут необходимы аккумуляторы стоимостью 3,2 доллара, а это в шесть раз превышает стоимость самой батареи. Если учесть, что литиевый аккумулятор рассчитан максимум на 2000 циклов заряда-разряда, что составляет от трех до шести лет, то можно сделать вывод, - литиевый аккумулятор, это чрезвычайно дорогое решение.

Самыми дешевыми аккумуляторами являются свинцово-кислотные. Оптовая цена этих далеко не самых экологичных систем, порядка 0,08 доллара за Вт*ч. Свинцово-кислотные аккумуляторы также, как и литиевые, рассчитаны на 3-6 лет работы. КПД свинцового аккумулятора составляет 75 %. Четвертую часть своей энергии этот аккумулятор теряет в цикле заряд-разряд. Чтобы сохранить дневную выработку солнечной энергии понадобится приобрести свинцово-кислотные аккумуляторы на 0.64 доллара. Мы видим, что это также больше, чем стоимость самих батарей.

Для современных СЭС разработаны гидроаккумулирующие электростанции. В течение светового дня в них закачивается вода, а ночью они функционируют как обычные гидроэлектростанции. Но строительство этих электростанций (КПД 90 %) не всегда возможно и чрезвычайно дорого.

Мы можем сделать неутешительный вывод. На сегодняшний день аккумуляторы обходятся дороже, чем сами СЭС. Для крупных солнечных электростанций они не предусмотрены. По мере генерации электроэнергии, крупные солнечные электростанции продают ее в распределительные сети. В вечернее и ночное время электроэнергию вырабатывают обычные электростанции.

Энергия солнца - какова сегодня ее цена?

Возьмем, к примеру, Германию - мирового лидера в использовании солнечной энергетики. Киловатт солнечной энергии, которая генерируется (даже в дневные часы, а ведь такая электроэнергия дешевле), выкупается в этой стране по цене от 12 до 17,45 евроцентов за кВт*ч. Поскольку газовые электростанции в Германии по прежнему строятся, функционируют или находятся в горячем резерве, солнечные электростанции в этой стране фактически просто помогают экономить российский газ.

Стоимость российского газа на сегодняшний день - 450 долларов за тысячу кубометров. Из этого объема газа (КПД генерации 40%) можно выработать приблизительно 4.32 ГВт электроэнергии. Следовательно, на 1 кВт*ч электричества выработанного от солнца, российского газа экономится на сумму в 0,104 доллара или 7,87 евроцента. Вот справедливая стоимость солнечной нерегулируемой генерации. Таким образом, в настоящее время в Германии солнечная энергетика на 50 % дотируется государством. Хотя, необходимо отметить, что Германия стремительно снижает стоимость генерации электроэнергии от солнца.

Делаем выводы

Самое экономичное солнечное электричество (0,5 долларов за 1 Ватт) получают сегодня с помощью солнечных поликристаллических батарей. Все остальные способы получения электричества с помощью энергии солнца, на порядок дороже.

Проблема, которая является ключевой для солнечной энергетики, это все же не КПД солнечных батарей, не цены, и не EROEI, который теоретически бесконечен. Главная проблема заключается в удешевлении способов генерации энергии солнца, полученной в дневные часы и сбережения этой энергии для вечернего пикового потребления. Ведь в настоящее время аккумуляторные системы, срок службы которых от трех до шести лет, в разы дороже самих солнечных батарей.

Солнечная генерация в значительных масштабах рассматривается сегодня только в виде способа экономии небольшой части традиционного ископаемого топлива в дневное время. Солнечная энергетика пока не в силах полностью взять на себя нагрузку в вечерние пиковые часы энергопотребления и уменьшить число АЭС, угольных, газовых и гидроэлектростанций, которые в дневные часы должны стоять в резерве, а в вечерние, брать на себя значительную энергетическую нагрузку.

Если в результате ужесточения тарифов (при которых, например, производителям водорода и алюминия будет выгодно запускать свое электролизное производство в дневные часы) пик потребления электроэнергии сместится на дневные часы, то у энергии солнца появятся более серьезные перспективы для развития.

Стоимость солнечной генерации, которая является «нерегулируемой», несопоставима со стоимостью генерации электроэнергии на привычных электростанциях, которые могут свободно генерировать ее в любое время, когда в этом есть необходимость.

Стоимость солнечной электроэнергии не должна превышать стоимости ископаемого топлива, сэкономленного с ее помощью. Если, например, газ в Германии стоит 450 долларов, то цена солнечной генерации в этой стране не должна превышать 0,1 доллара за киловатт час, в противном случае солнечная энергетика в этой стране является убыточной. До тех пор пока ископаемое топливо будет оставаться дешевым и легкодоступным, генерация солнечной энергии является невыгодной с экономической точки зрения.

В настоящее время использование энергии солнца и дорогостоящих солнечных аккумуляторных систем является экономически оправданным только для тех регионов и объектов, где нет других возможностей подключения к электросетям. Например, на одиноко стоящей, отдаленной станции сотовой связи.

Однако, не стоит забывать следующих важных факторов, которые вселяют оптимизм при рассмотрении солнечной энергетики:

1. Стоимость ископаемого топлива неуклонно растет по мере уменьшения его запасов.

2. Разумная государственная политика делает использование солнечных электростанций выгоднее.

3. Прогресс не стоит на месте! КПД солнечных электростанций повышается, разрабатываются новые технологии в генерировании и аккумулировании электроэнергии.

Использованная литература и сайты

1.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BF%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D0%BB%D1%8C - Солнечная батарея - определение

2. http://morana.ucoz.ru/publ/4-1-0-69 - Энергия солнца; Солнечные элементы

3. http://www.3dnews.ru/editorial/sun_energy/ - «За» и «против» солнечной энергии

4. http://sunbattery.net/index.php - смысл использования Солнечных батарей. Альтернативный источник энергии. Солнце и как его использовать для получения энергии.

5. http://www.dvfond.ru/sun/index.shtml - Использование энергии солнца

Размещено на Allbest.ru