Солнечная батарея

Со́лнечная батаре́яилисолнечная фотоэлектрическая панель— объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) —полупроводниковыхустройств, прямо преобразующихсолнечную энергиюв постоянныйэлектрический ток, в отличие отсолнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.
Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследованиягелиоэнергетики(от гелиосгреч.Ήλιος, Helios — «Солнце»). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.
Обычно в составсолнечной электростанциивходит одна или более солнечная панель,инвертор, а также в некоторых случаяхаккумулятори солнечный трекер.
Чаще всего солнечные батареи покрывают прозрачным стеклом, которое выполняет две важные функции. Во-первых, оно служит защитой от влаги и фотонов, которые обладают слишком высокой энергией. Если не использовать стекло, фотоны могут проходить через батарею и нагревать её, а не передавать свою энергию электронам, что снизит эффективность работы батареи.
В1839 годуАлександр Эдмон Беккерельоткрыл эффект преобразования света в электричество.Чарльз Фриттс(англ.Charles Fritts) начал использоватьселендля превращения света в электричество. Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянскимфото-химикомДжакомо Луиджи Чамичаном.
25 апреля1954 годаспециалисты компании «Bell Laboratories» заявили о создании первых солнечных батарей на основекремниядля получения электрического тока. Это открытие было произведено тремя сотрудниками компании — Кельвином Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller), Дэрилом Чапином (Daryl Chapin) и Геральдом Пирсоном (Gerald Pearson). Эффективность их солнечной батареи составила 6 %. Во время пресс-конференции батарея успешно служила источником энергии для игрушечного «колеса обозрения» ирадиопередатчика.
17 марта1958 года в США был запущен спутник с использованием солнечных батарей — «Авангард-1».
15 мая 1958 года в СССР также был запущен спутник с использованием солнечных батарей — «Спутник-3».
Три типа солнечных батарей. Каждый из этих типов солнечных элементов сделан уникальным способом и имеет разный эстетический вид.
Для обеспечения электричеством и/или подзарядкиаккумуляторовразличной бытовой электроники — калькуляторов, плееров, фонариков и т. п.
Для подзарядки батареи и даже для питания электромотора в режиме реального времени.
Одним из проектов по созданию самолёта, использующего исключительно энергию солнца, являетсяSolar Impulse.
Солнечные батареи крупного размера, как и солнечные коллекторы, широко используются в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странахСредиземноморья, где их помещают на крышах домов.
Новые домаИспаниис марта 2007 года оборудованысолнечными водонагревателями, чтобы самостоятельно обеспечивать от 30 % до 70 % потребностей в горячей воде, в зависимости от места расположения дома и ожидаемого потребления воды. Нежилые здания (торговые центры, госпитали и т. д.) должны иметьфотоэлектрическоеоборудование.
В настоящее время переход на солнечные батареи вызывает много критики среди людей. Это обусловлено повышением цен на электроэнергию, загромождением природного ландшафта. Противники перехода на солнечные батареи критикуют такой переход, так как владельцы домов и земельных участков, на которых установлены солнечные батареи и ветряные электростанции, получают субсидии от государства, а обычные квартиросъемщики — нет. В связи с этим Федеральное министерство экономики Германии разработало законопроект который позволит в ближайшем будущем ввести льготы для арендаторов, проживающих в домах, которые обеспечиваются энергией, поступающей от фотовольтаических установок или блочных тепловых электростанций. Наряду с выплатой субсидий владельцам домов, которые используют альтернативные источники энергии, планируется выплачивать дотации проживающим в этих домах квартиросъемщикам.
Солнечные батареи какдорожное покрытие:
Солнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии накосмических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие отядерныхирадиоизотопныхисточников энергии. В космосе используются солнечные фотопанели сделанные изарсенида галия.
Однако при полётах на большом удалении от Солнца их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. НаМарсемощность солнечных батарей вдвое меньше чем на Земле, и кроме того,пыльные буриещё больше снижают их эффективность. Около дальних планет гигантов солнечной системы мощность падает настолько, что делает солнечные батареи почти полностью бесполезными. При полётах же квнутренним планетам,ВенереиМеркурию, мощность солнечных батарей напротив, значительно возрастает: в районе Венеры в 2 раза, а в районе Меркурия в 6 раз.
Южнокорейские ученые разработали подкожную солнечную батарею. Миниатюрный источник энергии может быть вживлен под кожу человека с целью бесперебойного обеспечения работы приборов, имплантированных в тело, например, кардиостимулятора. Такая батарея в 15 раз тоньше волоса и может заряжаться, если даже на кожу наносится солнцезащитное средство.
Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли (AM0), составляет около 1330—1390 ваттна квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём можетбыть менее 100 Вт/м². С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 5—22 %. В 2020 году, цена на солнечные панели упала до 0,15 — 0,33 долл/Вт, в зависимости от типа и мощности панели. В 2019 году, себестоимость электричества, генерируемая промышленными солнечными станциями, достигла 0,068 USD за кВт*ч. В 2021 году оптовая цена на солнечные элементы снизилась до 0,07 — 0, 08 долл/Вт.
Фотоэлементы и модули делятся в зависимости от типа и бывают: монокристалические, поликристалические, аморфные (гибкие, пленочные).
В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %. В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с эффективностью 39 %. В 2011 году калифорнийская компания Solar Junction добилась КПД фотоэлемента размером 5,5×5,5 мм в 43,5 %, что на 1,2 % превысило предыдущий рекорд.
В 2012 году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba изполиметилметакрилата(оргстекла), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД системы при неподвижном положении панели составил 26—30 % (в зависимости от времени года и угла, под которым находится Солнце), в два раза превысив практический КПД фотоэлементов на основе кристаллического кремния.
В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4×4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 %, а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Soitec, CEA-Leti иБерлинского центра имени Гельмгольцасоздали использующийлинзы Френеляфотоэлемент с КПД 44,7 %, превзойдя своё собственное достижение в 43,6 %. В 2014 годуИнститут солнечных энергосистем Фраунгоферсоздали солнечные батареи, в которых благодаря фокусировке линзой света на очень маленьком фотоэлементе КПД составил 46 %.
В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричествоинфракрасное излучениеСолнца.
Перспективным направлением является создание фотоэлементов на основенаноантенн, работающих на непосредственном выпрямлении токов, наводимых в антенне малых размеров (порядка 200—300 нм) светом (то есть электромагнитным излучением частоты порядка 500 ТГц). Наноантенны не требуют дорогого сырья для производства и имеют потенциальный КПД до 85 %.
Также, в 2018 году, с открытием флексо-фотовольтаического эффекта, обнаружена возможность увеличения КПД фотоэлементов. За счёт продления жизни горячих носителей (электронов) теоретический предел их эффективности поднялся с 34 сразу до 66 процентов.
В 2019 году российские учёные изСколковского института науки и технологий (Сколтеха),Института неорганической химии им. А. В. НиколаеваСибирского отделения Российской академии наук(СО РАН) иИнститута проблем химической физики РАНполучили принципиально новый полупроводниковый материал для солнечных батарей, лишённый большинства недостатков материалов, применяемых сегодня. Группа российских исследователей опубликовала в журналеJournal of Materials Chemistry Aрезультаты работы по применению для солнечных батарей нового разработанного ими полупроводникового материала — комплексного полимерного йодида висмута ({[Bi3I10]} и {[BiI4]}), структурно подобного минералуперовкситу(природному титанату кальция), который показал рекордный коэффициент преобразования света в электроэнергию.Та же группа учёных создала второй аналогичный полупроводник на основе комплексного бромида сурьмы с перовкситоподобной структурой.
Особенности строенияфотоэлементоввызывают снижение производительности панелей сростом температуры.
Частичное затемнение панели вызывает падение выходного напряжения за счёт потерь в неосвещённом элементе, который начинает выступать в роли паразитной нагрузки. От данного недостатка можно избавиться путём установкибайпасана каждый фотоэлемент панели.
В облачную погоду при отсутствии прямых солнечных лучей крайне неэффективными становятся панели, в которых используютсялинзыдля концентрирования излучения, так как исчезает эффект линзы.
Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используютконтроллеруправления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей.
Старение фотоэлементов.
Cолнечные электростанции подвергаются критике из-за высоких издержек, а также низкой стабильности комплексных галогенидов свинца и токсичности этих соединений. В настоящее время ведутся активные разработки бессвинцовых полупроводников для солнечных батарей, например на основе висмутаи сурьмы.
Из-за своей низкой эффективности, которая в лучшем случае достигает 20 процентов, солнечные батареи сильно нагреваются. Остальные 80 процентов энергии солнечного света нагревают солнечные батареи до средней температуры около 55 °C. С увеличением температуры фотогальванического элемента на 1° его эффективность падает на 0,5 %. Активные элементы систем охлаждения (вентиляторы или насосы), перекачивающие хладагент, потребляют значительное количество энергии, требуют периодического обслуживания и снижают надёжность всей системы. Пассивные системы охлаждения обладают очень низкой производительностью и не могут справиться с задачей охлаждения солнечных батарей.
Очень часто одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности. Поэтому определённое количество фотоэлементов соединяется в так называемые фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. Эта сборка может быть полностью автоматизирована.
Крупнейшие производители фотоэлектрических элементов (по суммарной мощности) в 2020 году.