Преобразование солнечной энергии: Солнечная энергетика

Солнечная энергетика

Солнечная энергия

Мы можем использовать энергию солнца для разных целей. Одна из них — это выработка электрической энергии. При использовании солнечных батарей энергия солнца напрямую преобразуется в электрическую. Этот процесс называется фотоэлектрический эффект. Использование солнечного электричества имеет много преимуществ. Это чистый, тихий и надежный источник энергии. Впервые фотоэлектрические батареи были использованы в космосе на спутниках. Сегодня солнечное электричество широко используется во многих областях. В удаленных районах, где нет централизованного электроснабжения, солнечные батареи используются для электроснабжения отдельных домов, для подъема воды и охлаждения лекарств. Эти системы зачастую используют аккумуляторные батареи для хранения выработанной днем электроэнергии. Кроме того, калькуляторы, телекоммуникационные системы, буи и т.д. работают от солнечного электричества.

Другая область применения – это электроснабжение домов, офисов и других зданий в местах, где есть централизованная сеть электроснабжения.

В последние годы именно это применение обеспечивает около 90% рынка солнечных модулей. В подавляющем большинстве случаев солнечные батареи работают параллельно с сетью, и генерируют экологически чистое электричество для сетей централизованного электроснабжения. Во многих странах существуют специальные механизмы поддержки солнечной энергетики, такие как специальные повышенные тарифы для поставки электроэнергии от солнечных батарей в сеть, налоговые льготы, льготы при получении кредитов на покупку оборудования и т.п. На этапе становления фотоэнергетики такие механизмы действовали в Европе, США. Японии, Китае, Индии и других странах.

Солнечные модули или панели состоят из нескольких компонентов, основным из которых является фотоэлектрический или солнечный элемент. Фотоэлектрические преобразователи (в литературе часто встречается и другое определение – солнечные элементы от английского solar cells) – полупроводниковые устройства, преобразующие энергию солнечного излучения (солнечную радиацию) в электрический ток.

Существует множество способов преобразования солнечной энергии в электрическую, при этом технологически они могут очень сильно отличаться – как физическими принципами, так и технической реализацией. Наиболее эффективными – как с точки зрения организации производства, так и экономической энергетической целесообразности, являются устройства, использующие для преобразования солнечной энергии фотоэлектрические полупроводниковые преобразователи (ФЭП), чьим главным преимуществом является одноступенчатый прямой переход энергии. Анализируя современный рынок коммерческих систем наземной установки, следует отметить, что подавляющая доля (порядка 80-85% от всего объема мирового рынка) приходится на кристаллические кремниевые элементы. Гораздо меньший процент составляют тонкопленочные солнечные элементы (например, CdTe) – порядка 10%. Именно поэтому, ниже мы рассмотрим производство кристаллических кремниевых фотопреобразователей, как наиболее востребованный рынком альтернативной энергетики компонент солнечных батарей.

Какие есть способы преобразования солнечной энергии и их КПД

Какие есть способы преобразования солнечной энергии и их КПД

Солнечная энергия — энергия от Солнца в форме радиации и света.

Излучение Солнца все время несет к Земле энергию. Это, по существу, электромагнитная энергия. Спектр электромагнитного излучения Солнца лежит в широком диапазоне: от радиоволн до рентгеновских лучей. Максимум его интенсивности приходится на видимый свет, а именно — на желто-зеленую часть спектра. В целом можно сказать, что энергия солнечного излучения управляет жизнью на Земле, климатом и погодой на нашей планете — вся живая природа на Земле обязана своим существованием Солнцу.

Дело в том, что от Солнца – к верхним слоям земной атмосферы непрерывно поступает в форме излучения мощность порядка 174 петаватт (пета – 10 в 15 степени). При этом 16% поступающей энергии поглощается верхними слоями атмосферы, а 6% – отражается от нее. В зависимости от погодных условий, в средних слоях атмосферы также происходит отражение до 20%, а поглощается около 3% приходящей от Солнца энергии.

Таким образом, наша атмосфера рассеивает и фильтрует значительную часть спектра, пропуская, однако, к поверхности земли немалую его долю в форме инфракрасного и немного ультрафиолетового. В результате мы можем наблюдать круговорот воды в природе, фотосинтез растений, и имеем среднюю температуру земной поверхности около 14°C.

Технология, позволяющая человечеству использовать данную энергию практически и осознанно, называется солнечной энергетикой. И такое положение не лишено здравых оснований, ведь по оценкам ученых потенциал энергии Солнца, которая может быть принята на поверхности земли и преобразована в полезную для человека форму, составляет на сегодняшний день в максимуме почти 49,9 эксаджоуль в год (экса — 10 в 18 степени), что в 10000 превосходит нынешние потребности человечества.

Даже в Германии, где климат не особо солнечный, энергия, которую можно было бы в идеале получить от Солнца, в 100 крат превзошла бы потребности всей страны. А в Австрии на 1 квадратный метр поверхности земли приходится до 1480 кВт-ч в год. И лишь 50% этой энергии принимается в стране солнечными концентраторами, осуществляющими нагрев теплоносителя в своем фокусе.

Далее давайте рассмотрим наиболее приемлемые на сегодняшний день способы преобразования солнечной энергии, и оценим их коэффициент полезного действия (КПД).

Солнечный коллектор

Солнечные коллекторы, хотя и относятся к низкотемпературным установкам, тем не менее они позволяют добывать примерно 1250 кВт-ч на квадратный метр энергии в год. Энергия получается здесь в форме тепла, пригодного для промышленного отопления и обеспечения горячего водоснабжения.

Практически установка преобразует энергию, даваемую видимым светом и ближним инфракрасным излучением, – в тепло, поскольку разогревается здесь теплоноситель — вода. При отсутствии забора тепла (застое) коллекторы такого плана способны нагреть воду до 200°C.

Установка имеет покрытие из специального абсорбера, хорошо поглощающего солнечное излучение, и передающего тепло теплопроводящей системе. Селективное покрытие обычно представляет собой черный никель или напыление оксида титана. Среднестатистический КПД таких установок 50%.

Параболоцилиндрическое зеркало

Установки на базе параболоцилиндрических зеркал относятся к среднетемпературным установкам. Они позволяют получать 375 кВт-ч на квадратный метр электрической и тепловой энергии в год. В фокусе такой установки располагается трубка (внутри которой теплоноситель — масло) или фотоэлектрический преобразователь. Масло в трубке разогревается здесь до 350°C и даже больше.

Одно параболоцилиндрическое зеркало, из которых набирается крупная электростанция, имеет протяженность до 50 метров. Термальная эффективность параболических концентраторов доходит до 73 % при температуре нагрева теплоносителя 350°C. Средний КПД подобных установок доходит до 20%.

Гелиостатные системы

Гелиостатные системы относятся к высокотемпературным установкам. На них получают 500 кВт-ч на квадратный метр электрической энергии в год, кроме того гелиостатные установки дают возможность получать и тепловую энергию.

Здесь нагревается теплоноситель на основе натрия и газ (двухконтурная система с термической солью). Множество зеркал отражают солнечное излучение, направляя его на емкость с теплоносителем, расположенную на вершине башни. КПД таких систем достигает 20%.

Солнечная батарея

Солнечные батареи относятся к электроэнергетическим установкам, и позволяют получать при помощи фотоэлектрических преобразователей 250 кВт-ч электроэнергии в год. Их эффективности бывает достаточно чтобы обеспечить электричеством небольшое домашнее хозяйство в солнечном регионе, также небольшие солнечные панели в состоянии снабжать электроэнергией дорожные знаки, осветительные приборы, оросительные системы и т. д.

На сегодняшний день эффективность солнечных батарей оставляет желать лучшего, их средний КПД относительно невысок, около 10%, но технология все время совершенствуется.

Ранее ЭлектроВести писали, что Международное агентство возобновляемой энергетики (IRENA) опубликовало очередной ежегодный статистический сборник сведений о генерирующих мощностях, работающих на основе возобновляемых источников энергии, Renewable Capacity Statistics 2019.

По материалам: electrik.info.

Принцип преобразования солнечной энергии в электричество

Солнце и фотоэлектрические модули (СФЭМ – солнечные батареи).

В основе этого способа получения электричества лежит солнечный свет, названный в учебниках как солнечное излучение, солнечная радиация, световой поток или поток элементарных частиц – Фотонов. Для нас он интересен тем, что, так же как и движущийся воздушный поток, световой поток обладает энергией! На расстоянии в одну астрономическую единицу (149 597 870,66 км) от Солнца, на котором и располагается наша Земля, плотность потока солнечного излучения составляет 1360 Вт/м². А пройдя через земную атмосферу, поток теряет свою интенсивность из-за отражения и поглощения, и у поверхности Земли уже равен ~ 1000 Вт/м

2. Здесь и начинается наша работа: использовать энергию светового потока и преобразовать её в необходимую нам в быту энергию – электрическую.

Таинство этого преобразования происходит на небольшом псевдоквадрате со скошенными углами, который вырезан из кремниевого цилиндра (рис. 2), диаметром 125 мм, и имя ему – фотоэлектрический преобразователь (ФЭП). Каким же образом?

Ответ на этот вопрос получили физики, открывшие такое явление как Фотоэффект. Фотоэффект – это явление вырывания электронов из атомов вещества под воздействием света.

В 1900г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой: Е = h∙ν(аш ню), где h — постоянная Планка, равная 6,626 × 10^-34 Дж∙с, ν – частота фотона. Гипотеза Планка объяснила явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспериментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым, который, путем обобщения полученных результатов, установил следующие

три закона фотоэффекта:

1. При неизменном спектральном составе света сила тока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.
2. Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.
3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой, характерной для каждого вещества, величины, называемой красной границей.

Теорию фотоэффекта, проясняющую таинство, царящее в ФЭПе, развил немецкий ученый Альберт Эйнштейн в 1905г., объяснив законы фотоэффекта с помощью квантовой теории света. Исходя из закона сохранения и превращения энергии, Эйнштейн записал уравнение для энергетического баланса при фотоэффекте:

где: h∙ν – энергия фотона, А – работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из атома вещества. Таким образом, получается, что частица света – фотон – поглощается электроном, который приобретает дополнительную кинетическую энергию ½m∙v² и совершает работу выхода из атома, что дает ему возможность свободно двигаться. А направленное движение электрических зарядов и есть электрический ток, или, правильнее говоря, в веществе возникает Электро Движущая Сила – Э.Д.С.

За уравнение для фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

Возвращаясь из прошлого в наши дни, мы видим, что «сердцем» Солнечной батареи является ФЭП (полупроводниковый фотоэлемент), в котором осуществляется удивительное чудо природы – Вентильный фотоэффект (ВФЭ). Он заключается в возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света. ВФЭ, или фотоэффект в запирающем слое, — явление, при котором электроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник).

Полупроводники — это материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт [эВ]. Ширина запрещенной зоны — это разность энергий электронов в кристалле полупроводника между нижним уровнем зоны проводимости и верхним уровнем валентной зоны полупроводника.

К числу полупроводников относятся многие химические элементы: германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие, огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.) Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Кремнию суждено было стать материалом для солнечной энергетики благодаря его широкому распространению в природе, легкость, подходящая ширина «запрещенной зоны» 1,12 эВ для поглощения энергии солнечного света. Сегодня на рынке коммерческих систем наземного применения наиболее заметны кристаллические кремниевые (около 90% мирового рынка) и тонкопленочные солнечные элементы (около 10% рынка).

Ключевым элементом конструкции кристаллических кремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) является p-n переход. В упрощенном виде ФЭП можно представить в виде “бутерброда”: он состоит из слоев кремния, легированных для получения p-n перехода.

Одним из главных свойств p-n перехода является его способность быть энергетическим барьером для носителей тока, то есть пропускать их только в одном направлении. Именно на этом эффекте и базируется генерация электрического тока в солнечных элементах. Излучение, попадающее на поверхность элемента, генерирует в объеме полупроводника носители заряда с разным знаком – электроны (n) и дырки (p). Благодаря своим свойствам p-n переход «разделяет» их, пропуская каждый тип только на “свою” половину, и хаотически двигающиеся в объеме элемента носители заряда оказываются по разные стороны барьера, после чего могут быть переданы во внешнюю цепь для создания напряжения на нагрузке и электрического тока в замкнутой цепи, подключенной к солнечному элементу.

Так же Вы можете ознакомиться с теорией преобразования энергии Ветра в электрическую энергию используя ветрогенераторы.

Процесс преобразования солнечной энергии в электрическую

Часто ли мы задумываемся о том, какой путь проходит свет перед тем, как достичь Земли? А между тем Солнце, находящееся примерно в 150 миллионах километров от нас, не только может светить и греть нас своим теплом, оно доставляет световую энергию, которую пытливые умы человечества научились использовать для получения энергии электрической. Как это происходит и при каких условиях? Насколько эффективны современные солнечные панели? Можно ли отказаться от тепловых и атомных электростанций, оказывающих негативное влияние на окружающую среду? Обо всем по порядку.

Наверняка первые попытки использовать солнечный свет для бытовых нужд были предприняты на заре человечества интуитивно. Люди понимали, например, что мокрые вещи на солнце сохнут быстрее, чем в тени, то есть эмпирически оценивали количество солнечной радиации (излучения), приходящей на землю. Архимед использовал параболические зеркала для поражения вражеских кораблей. Параболические зеркала также применяли пастухи и бедуины для приготовления пищи. Что же было дальше?

1838 – французский физик Клод Пулье, используя простейший пирометр, измерил мощность солнечного излучения, приходящего на квадратный метр поверхности Земли. Величина получилась внушительная и близкая к современным оценкам – 1361 Вт/м².

1839 – Беккерель обнаружил, что свет возможно преобразовать в электричество, а электричество, как известно – самый удобный для использования вид энергии.

1887-1890 – Герц и Столетов изучали явление, названное фотоэффектом. Суть его в том, что при облучении светом и вообще любым излучением вещества могут отдавать электроны – носители электрических зарядов. Это приводит к возникновению ЭДС, что позволяет использовать фотоэффект для получения электрического тока.

1905 – Эйнштейн, используя теорию Макса Планка о квантовой (состоящей из отдельных частиц) природе света, объяснил, как работает фотоэффект, за что потом и получил Нобелевскую премию. Вот так выглядит формула для фотоэффекта, выведенная создателем теории относительности:

Представим себе шар для боулинга, приклеенный к столу клеем. Это ядро атома. Стол представляет собой вещество. Вокруг ядра по окружности двусторонним скотчем приклеим теннисные мячи. Это электроны данного атома. Начнем стрелять по атому шариками для пинг-понга – фотонами, т.е. безмассовыми частицами света. Нетрудно представить, что они не сдвинут с места тяжелый шар для боулинга, т.е. ядро, но в зависимости от своей энергии  они или просто оторвут теннисные мячи от скотча (это – красная граница фотоэффекта – ), или не только оторвут их, но и заставят двигаться, т.е. наши электроны приобретут кинетическую энергию W_k. Короче говоря, суть фотоэффекта в том, что фотоны отдают свою энергию на отрыв электронов от ядра (обязательно) и на придание им движения (необязательно, зависит от энергии фотонов). Движение электронов и представляет собой электрический ток – фототок.

Наконец, в 1954 году компания Bell объявила о создании кремниевых солнечных батарей. С тех пор и на земле, и в космосе свет начали использовать для получения электроэнергии с помощью фотоэлементов. Фотоэлементы представляют собой полупроводниковые приборы, использующие явление фотоэффекта. Как он проявляет себя здесь? Если мы будем светить на металл, то электроны вылетят в окружающее пространство и особой пользы не принесут. Фотоэлементы же устроены таким образом, что при освещении электроны скапливаются на противоположных электрических контактах, генерируя постоянное напряжение.

Нужное количество таких фотоэлементов соединяют в группы последовательно. Это делается для увеличения генерируемого напряжения. Далее последовательные группы соединяются параллельно для увеличения выходного тока. Количество элементов в этих группах зависит от требуемого расчетного тока и напряжения. Для увеличения надежности батареи фотоэлементы шунтируются диодами. Вся эта система покрывается стеклом для защиты цепей от внешних воздействий. При нагревании солнечной панели эффективность генерации снижается. Ввиду непостоянства выдаваемой мощности к клеммам солнечных панелей присоединяют контроллер для заряда аккумуляторов, которые питают инвертор для создания переменного напряжения.

КПД современных батарей, представленных на рынке, обычно составляет 15-20 %. В лабораторных условиях получают КПД, близкий к 45 %. Луноходы и марсоходы успешно колесят и бурят грунт на удаленных небесных телах, а космические аппараты бороздят просторы Солнечной системы, питаясь энергией Солнца. На земле же 1.3 кВт мощности солнца приходится в ясный день перпендикулярно одному квадратному метру, и у нас картина получается не очень радужная. Здесь же вспомним о сравнительно высокой цене солнечных элементов, поэтому на сегодняшний день солнечная энергетика все еще остается перспективной отраслью. Вопрос времени, подобно электромобилям, а в свое время – двигателям внутреннего сгорания? Увидим.

Об альтернативной энергетике читайте в этой статье.

 

Солнечная станция – АльтЭнерго

Солнечные батареи (фотоэлектрический преобразователь) или ФЭП служат для преобразования солнечной энергии в электрическую.

Солнечное излучение — один из наиболее перспективных источников энергии будущего. Преобразование солнечной энергии может осуществляться двумя основными способами: фотоэлектрическим (прямое преобразование световой энергии в электрическую) и фототермическим (преобразование световой энергии в тепловую, а затем, при необходимости, в электрическую).

Фотоэлектрические станции – это установки, принцип действия которых состоит в прямом преобразовании солнечного света в постоянный электрический ток. Энергия может использоваться как напрямую, так и запасаться в аккумуляторных батареях. Для получения переменного тока необходимо использовать преобразователи – инверторы.

Солнечные электростанции могут подключаться к электрическим сетям и передавать в них выработанную энергию, а также использоваться в качестве автономного или резервного источника питания.

Виды солнечных батарей

1. Фотоэлектрические преобразователи. Полупроводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество (Солнечные элементы). Несколько объединённых СЭ называются солнечной батареей.
2. Гелиоэлектростанции (ГЕЭС). Солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.).
3. Солнечные коллекторы (СК). Солнечные нагревательные низкотемпературные установки.
4. Органические батареи. Устройства преобразующее солнечные лучи в электричество с помощью генетически модифицированных клеток, напечатанных на тонком пластике с проводником.

ООО «АльтЭнерго» установило на х. Крапивенские Дворы Яковлевского района Белгородской области солнечный парк, состоящий из поликристаллических и аморфных солнечных панелей. Поликристаллические состоят из распиленного на пластины полупроводникового кремния. При попадании на их поверхность солнечного света в устройстве начинается движение электронов, вырабатывается постоянный электрический ток, который затем преобразуется в переменный.

В устройствах аморфного типа полупроводники в вакууме расщепляются на мельчайшие частицы, и воздействие света становится наиболее интенсивным, поэтому аморфные источники обладают высокой производительностью и могут работать при плохих погодных условиях и слабой освещённости.

Трекеры – системы ориентации солнечных батарей

Что происходит сейчас в области солнечных технологий, особенно с пиком добычи нефти. Гонки, поиска методов устойчивого удовлетворения наших потребностей в энергии .

Солнечная энергия  является одним из немногих возобновляемых ресурсов наряду с ветром, волновой энергией, механической и биотопливом. Пока есть солнце, мы можем использовать ее тепло или свет, чтобы пополнить наши потребности в энергии. Солнечный рынок меняется постоянно с новыми инновациями поэтому мы будем исследовать системы, предназдначенные для личного потребления, а также новые технологии наращивания мощности, чтобы построить электростанцию.

Чтобы создать и сохранить солнечное электричество от сетки вы, по сути нужна форма панелей солнечных батарей, AC / DC раскол панель с переключателями отключения, инвертор, контроллер заряда и батареи глубокого цикла держать заряд. Стоимость обычно вращается вокруг количества киловатт система может генерировать так что стоит сделать вашу математику, выяснить, где вы можете сократить свое потребление или до размера эффективность вашей техники. Вот различные подходы к солнечным собирается сегодня на рынке. PV фиксированные на крыше или транспорте     

PVs как плоских панелей может быть установлен в стационарном положении, как массивы прямо поверх вашей крыше с видом на оптимальное положение солнца круглый год. Плоские панели могут воспользоваться структурами, которые уже здесь, что делает их идеальными для модернизации. Они не очень красиво, но они, как правило, чтобы пролить снег быстро.

   

Eще одним преимуществом является то, что дополнительные панели могут быть легко установлены в нынешней системе на более поздний срок. Чем старше модели сопротивления в том, что сезонные вы должны были подняться на крышу, чтобы повторно отрегулировать угол максимального воздействия солнца. В зависимости от того, как трудно получить доступ и идти через вашу крышу это может быть боль в ’keester, но, как и уборку это просто одна из тех сезонных делами вы привыкли делать.

PV транспорт и солнечные трекеры

Крепление верхнего полюса может быть либо фиксированной, что означает, что держит панель стационарных, или он может двигаться, или дорожки, с солнцем.

Крепление солнечных панелей, что позволяет панели для перемещения с Солнцем называется трекера. Размещение вашей панели вместе с любой вид монтажа системы вы используете может сделать огромную разницу в количестве электроэнергии вы можете производить. Будьте очень осторожны, чтобы не разместить панели в область, в тени деревьев или зданий, или любых других объектов, поскольку в зимний тени можно привести по крайней мере 22 футов дальше на юг и, если вы разместите панелей в пределах этого расстояния, вы быть очень разочарован в те короткие зимние дни. Солнечные батареи производят самое электричество, когда они сталкиваются как можно ближе к перпендикулярной насколько это возможно.

Как солнце путешествует под разными углами в течение года, необходимо отрегулировать угол наклона к солнцу оптимально четыре раза в год. Чем ближе к перпендикулярной они, тем больше продукции вы получите. Лучшие даты для изменения углов 5 февраля (устанавливается на тот же угол, как ваша широта) и 5 ​​мая (установлен в тот же угол, свою широту минус 15 градусов). Некоторые модели не справедливым и в очень холодных зим, поэтому очень важно сделать свою домашнюю работу и убедиться, что механизмы не заморозить на трекере для 2/3rds дня до «оттепели» солнце устройства (вы не будете быть «отслеживания» угол солнца должным образом, и делая эту функцию бесполезной).

Для более подробной информации о Солнечной визита технологии Tracking:

solar-tracking.com

london-solar.webnode.com

4 фактора, которые влияют на ваш PV панелей общей эффективности

1. Солнечной потенциал на сайте: Какое количество солнечных дней ваш область получит? Какие препятствия на вашу собственность будет препятствовать вашему массива с момента получения полной мерой солнце светит в течение 24-часового периода? В каком направлении делает ваш дом лицо? 

2. Тип панели: Не все солнечные панели созданы одинаково. Некоторые виды имеют более эффективным рейтинге преобразования энергии. Различия могут быть драматичными от всего лишь 6% до целых 18% 

3. Общий КПД системы: Неизменно энергии теряется, когда постоянный ток проходит через преобразователь, чтобы стать переменного тока таким образом, все из рода инвертор вы используете для батарей они хранятся в внесут свой ​​вклад в общий рейтинг. 

4. Диапазон рабочих температур: Большинство клеток работают лучше, когда они не являются перегрева. На раскаленной крыше с тонкими клетками у вас может быть до 15% потери эффективности из-за его, непосредственно применяются на крышу. С плоской панели с другой стороны, есть воздушное пространство и, следовательно, циркуляция воздуха под охлаждения панелей вниз.

Ванкуверский кооператив возобновляемых источников энергии:

vanrenewable.org

VREC работает на основе организации, занимающейся установкой систем возобновляемых источников энергии в зданиях в Большом Ванкувере по приемлемым ценам. Они предоставляют услуги для фотоэлектрических систем , солнечных горячей воды , солнечного горячего воздуха и даже Sunshare проект , который позволяет владельцам бизнеса, чтобы купить долю в больших солнечных фотоэлектрических систем.

Для сравнения производителей фотоэлектрических панелей: сайт sunelec.com предлагает в глубину разбивки, сколько вы платите за ватт использования продукта каждого из производителей. Стоит просмотреть.

Книги:

Солнечная энергия вашего дома для чайников по Rik DeGunther (мягкая обложка — 31 декабря 2009)

Солнечное электричество Handbook — 2011 Edition Майкл Boxwell. Эта книга посвящена исключительно фотогальванических солнечных или сделать питание от солнечной rays. If вы рассматриваете дома солнечной энергии Вот книга, которая поможет вам от выбора участка к системе размерам к выбору соответствующего оборудования и резервного копирования элементов.

Создание комплексных функций (BIPV)

Приятная возможность монтажа плоских панелей по отслеживанию систем, кроме вашего дома или монтажа плоских панелей на верхней части крыши интеграции солнечной технологии AS крышу себя.

Для металлической крышей, тонкопленочных PV ламинатов являются животные выбора. Они продаются в рулонах и придерживаться непосредственно к металлической кровли. Sunslates, тонкопленочные солнечные ламинаты и крыши интегрированные модули являются прекрасными примерами технологии, встроены непосредственно в здании самого материала.

Тонкие фотоэлектрических панели

  

Солнечная электрическая модулей из кристаллического кремния были доминирующее положение на рынке, так как они впервые вышли на сцену в 1954 году и продолжают делать это с 12-18% КПД преобразования солнечного излучения в электроэнергию. Проблема в том, что этот тип кремния действительно дорого.

Введите тонкопленочных солнечных технологий в солнечной расы.

Тонкопленочных фотоэлектрических технологий (примерно с 90-х годов) не являются столь эффективными (6-11% преобразования в электроэнергию), однако они значительно дешевле (почти половина цены) для получения из аморфного кремния или другие полупроводники, такие как меди индия галлия диселенида (CIGS) и теллурида кадмия вместо этого. Цель состоит в том, чтобы сделать солнечную как экономически эффективным, как сделать электроэнергии из ископаемого топлива или угля. Для этого «First Solar» конец тонкопленочных PV компании в Аризоне идет на большой ринг … чтобы конкурировать с компаниями и коммунальные услуги питания в больших масштабах. Мы желаем им успеха!

  

На жилой стороне вещей Uni-Solar была выкатывает тонкой пленки ламината с использованием ультра тонкопленочных солнечных элементов на крышах домов за последнее десятилетие. Они разработали процесс для соединения солнечных ламината с мембраной кровельных использовать на плоских крышах коммерческих зданий, что делает его сумасшедшим легкий для всех нас превратить каждую крыше в солнечный коллектор. В 2009 Uni-Solar познакомился с некоторых Teed производитель асфальт черепицы так что теперь мы можем сделать, чтобы «галька всей нашей крышей» с солнечными панелями.

Sunslates доступны на Atlantis Energy Systems www.atlantisenergy.org или компании Kyocera MyGenMeridian www.kyocerasolar.com

Солнечности Industries в Форт-Лэнгли, Британская Колумбия продает Солнечная черепица и отдельный тепловой солнечной системе горячего водоснабжения под крышей sunslate

Suntiles доступны на SunPower корпорации www.sunpowercorp.com

General Electric продает крыши интегрированных модулей , которые разработаны, чтобы быть совместимым с кровельной черепицы www.gepower.com

Вот сайт, где вы можете отследить местного солнечного подрядчика и использовать интерактивный калькулятор, который рекомендует фотоэлектрических систем для Вас вместе с прогнозируемых расходов www. findsolar.com

Вот список производителей солнечных панелей во всем мире и их поручительства с первого взгляда. wholesalesolar.com

Канадская ассоциация производителей солнечных провинциального стимулы : cansia.ca

Солнечные технологии Концентратор

Работы по сбору свет на большой площади, таких как оконное стекло, а затем собирает, что свет по краям. Солнечные батареи размещены только по краям, а не покрытие всей поверхности окна. Секрет концентратора заключается в его уникальной смеси красителей, которые покрывают поверхность коллекционеров позволяет больший контроль над поглощением света. Солнечные концентраторы уменьшает количество солнечных батарей, необходимых для сбора солнечной энергии, увеличивая тем самым электрическую мощность каждой ячейке.

Для получения дополнительной информации. На этой технологией перейти к Ковалентная Солнечной covalentsolar.com

Солнечные коллекторы

Солнечные коллекторы работают как этот. Солнечное тепло улавливается коллектора и хранится в нечто вроде горячей воды, которая затем трубы горячей воды в доме, который будет распространен в лучистого отопления пола или плинтуса, или радиаторы, или второй бак для горячей воды в доме. В солнечные дни у вас есть много горячей воды. На не очень солнечные дни необходимо резервное копирование. Я предлагаю, подключение воды к печи сжигания древесины. Электричество для целей отопления просто неэффективна и энергии свиней.

Так как же владелец дома использует солнечные коллекторы вместо солнечных панелей и почему?

Просто, разделив функции обогрева Вашего горячей водой от остальной части электрической панели вы можете иметь гораздо более эффективной общей энергетической системе. В это время выработки электроэнергии от солнца в лучшем случае на 18%. Теперь считать, что преобразования и использовать его для нагрева воды?? Na гм. Мы можем использовать солнце в совершенно по-другому на этот раз, что это способ более эффективного преобразования энергии в тепло (74%), чтобы нагреть нашу воду по сравнению-с помощью электрических, чтобы нагреть его, это ежу понятно.

Эвакуированные солнечные трубчатые коллекторы

Как заявил перед отделением функцией подогрева воды из электрической панели может привести к системе, которая обрабатывает эту функцию с гораздо большей эффективностью, и тем самым экономии. Введите канадского Солнечной копье технологий во главе с инженер-механик, Венди Maver, который взял лучшее из солнечной технологии передачи тепла совместно разработан с немецкого Daimler-Benz Aerospace группы и Пекин Японии Sundar солнечной энергии технологии, и объединили их с лучшими насосы и контроллеры она могли найти.

Тогда она создала свою собственную компанию, она чувствует себя соперников лучшие из лучших. Это довольно большой бахвальство человека для канадского галлон. Мы обычно не так громко и гордо об этих вещах, но Венди чувствует этот продукт (проверено на справедливое мест погода, как Германия, Швеция и Арктики под градом условиях) может работать себе в Great White North тоже. На 74% эффективности имеет смысл для отопления горячей водой в течение лета и зимы в том числе горячей воды, бассейн, джакузи, водяной теплый пол, радиатор или любой комбинации там этот путь. Это будет стоить вам где-то между $ 7500 — 12.000. сделать это в зависимости от того своем новом строительстве или в ретро-форме и говорят, что это оказалось длиться более 20 лет, используя только 2 метра на 2 метра пространства на крыше. Я, например, думаю, что мы должны дать канадской девушке шанс.

EnSol спреи солнечные панели

  

Norweigan солнечной энергии компании EnSol запатентовал тонкопленочных солнечных технологий ячейки предназначены для распыления на поверхности, таких как окна или даже части здания. В отличие от традиционных кремниевых солнечных элементов, фильм состоит из металлических наночастиц встроенных в прозрачный композитный матрицы, и работает по другому принципу. EnSol находится в разработке продукта (с помощью Университета Лестера департамента физики и астрономии) и надеется вывести его на рынок к 2016 году. 
Сейчас все здание станет генератором энергии. Как здорово это будет?

gizmag.com

Иной подход к электростанции: Чикаго Уиллис-Тауэр

Когда вы думаете о солнечных электростанциях обычно изображение, которое приходит на ум строки после ряда панелей, охватывающих большие участки пустыни. Пифагор Солнечной однако видит в нем находясь на окна небоскребов создания вертикальной электростанции . 
окна Пифагор Солнечной будет работать в паре с Willis Tower Чикаго, ранее известный как здание Sears с 1451-фут (442 м) высоты добавив, до достаточного области окна по сравнению с 10 акров солнечной электростанции. В рамках проекта будет начать немножко более скромно, конечно, начиная с 56-го этажа.

Южной стороне 56-го этажа Уиллис-Тауэр в настоящее время оснащены солнечными окнами.

Солнечное шоссе “Power Go”

Прогрессивный подход к генерации солнечной электроэнергии является применение виде солнечных технологий в существующих дорог и штата Орегон является ведущим (ERR) бесплатно.

treehugger.com

Хотя это и не большой мощности, интересный Первая состоялась в штате Орегон. Строительство началось на то, что будет первый демонстрационный проект использования автомобильных дорог развивать солнечную проекта power. The будет генерировать 28% электроэнергии, необходимой для питания огней обмена и вывесок. Германия и Швейцария использовали неиспользованного пространства на сторону дороги на 20 лет, но до сих пор Соединенные Штаты не сделали.

Вот видео солнечных дорог «создателя Скотта Brusaw на Ted.com: youtube.com
Вот приложений для солнечных шоссе, что дальновидный Скотт Brusaw предлагает на своем сайте: http:/ / www.solarroadways.com/ 
http://solarroadways.com/intro.shtml

YouTube: Солнечные дороги-прототипа 
youtube.com

Солнечная генерирующая мощность станции: Концентраторы

В пустынях штата Невада Соединенных Штатов очень интересный эксперимент проходит. Правительство существует стремится узнать, если концентрированная солнечная энергия может просто решить энергетические потребности американского народа. Она называется «Невада Solar One Проект» разработан Solargenix Энергетика и это означало стать крупнейшей солнечной электростанции построены в последние 15 лет с помощью параболического желоба от 14 до 80 МВт в размерах.

    

Концентрации солнечной энергии (CSP) является перспективным возобновляемым источникам энергии в этой области в связи с интенсивным тепло солнца на большой площади (пустыня). Собранные тепла (750 степенью тепловой энергии), собранных в поле изогнутых зеркал затем фокусирует энергию, что на коллектор трубы, которая, в свою очередь, создает пар для питания электрических генераторов. По данным американского отдела. Энергетики растений CSP охватывает 9% штата Невада может генерировать достаточно электроэнергии, чтобы удовлетворить потребности Америки. Ух ты. Где они собираются переехать Vegas?

Основное различие между PV и CSP концентраторы для производства электроэнергии от солнца, что одно порождает ее от света (лучистой энергии) солнца в то время как другие используют тепло (тепловую энергию). Я не хотел бы быть способом палате (смущенно) стадо канадских гусей на юг, через эти вещи. Барбекю кто? Я лежал на ней деньги, что если Джордж Гамильтон никогда не узнает об этих вещах он будет иметь новое любимое место.

Солнечная генерирующая мощность станции: фотоэлектрических (PV)

На 140 акров неиспользуемые земли на Неллис Air Force Base, штат Невада, 70000 солнечных панелей являются частью фотоэлектрических солнечных батарей, которые будут генерировать 15 мегаватт солнечной энергии для базы.

Солнечных батарей сосредоточиться солнечного света от поля к одной центральной башне. Эти системы используют линзы или зеркала и системы слежения, чтобы сосредоточиться на большой площади солнечного света в небольшой балке. PV затем преобразует свет в электрический ток использовании фотоэлектрического эффекта. Коммерческая растения были впервые разработаны в 1980-хгодах, и 354 МВт установка является крупнейшей солнечной электростанции в мире находится в пустыне Мохаве в Калифорнии.

middleearthhome.com

Энергетическое образование

2. Солнечная энергетика

Солнечная энергетика — непосредственное использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше.

Поток солнечного излучения.

Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т.д., т.е. без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии. В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым популярным способом преобразования солнечной энергии.

Солнечные коллекторы. Солнечные коллекторы.

Солнечные коллекторы могут применяться для приготовления пищи. Температура в фокусе коллектора достигает 150 °С. Такие кухонные приборы могут широко применяться в развивающихся странах. Стоимость материалов необходимых для производства “солнечной кухни” составляет $3 – $7. В развивающихся странах для приготовления пищи активно используются дрова.

Солнечные коллекторы могут применяться для приготовления пищи.

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны – энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т.д. Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта. В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах.

Что такое солнечная энергия и как солнечная энергия преобразуется в электричество

Согласно научным данным, Земля поглощает много солнечной энергии, а именно 173 триллиона тераватт. Это буквально на десять тысяч больше энергии, чем использует все население мира. Это подтверждает тот факт, что Солнце является самым богатым источником энергии на всем земном шаре и что однажды оно может стать самым надежным источником энергии.

Традиционно мировые потребности в электроэнергии удовлетворяются за счет ископаемых видов топлива, таких как нефть, природный газ и уголь.Однако эти источники энергии имеют два основных негативных воздействия:

Они играют большую роль в глобальном потеплении и загрязнении кислотными дождями, что отрицательно влияет на многих животных, растений и людей в окружающей среде.

Немногие страны имеют полный доступ к энергетическим ресурсам на основе ископаемого топлива, что может привести к глобальной политической и экономической нестабильности.

Лучшая альтернатива – солнечная энергия, которая является возобновляемым ресурсом, а это означает, что она не станет недоступной. Он обеспечивает неограниченную и стабильную поставку во времени.Солнечная энергия также является экологически чистым источником энергии, поскольку она не выделяет загрязняющих веществ в процессе производства энергии.

Итак, что такое солнечная энергия?

Солнечная энергия – это энергия, производимая солнцем в виде тепла и света. Это один из самых возобновляемых и легкодоступных источников энергии на планете Земля. Тот факт, что он доступен в большом количестве и бесплатно и никому не принадлежит, делает его одним из самых важных из нетрадиционных источников энергии.Солнечная энергия использовалась людьми с древних времен, используя простые увеличительные стекла, чтобы концентрировать солнечный свет в лучах, настолько горячих, что они могут вызвать возгорание дерева.

В основном солнечная энергия может использоваться для преобразования ее в тепловую энергию или в электричество. Солнечная энергия – это энергия, получаемая от солнца. Его используют 2 основных способа:

.

1. За счет производства электроэнергии

В этом методе используются солнечные фотоэлектрические (PV) устройства или солнечные элементы, которые преобразуют солнечную энергию в электричество.Фотоэлектрические устройства производят электричество прямо из солнечного света посредством электронного процесса, который естественным образом происходит в определенных типах материалов, известных как полупроводники.

Электроны, содержащиеся в этих материалах, высвобождаются солнечными лучами и проходят через электронную схему, посылая энергию в сеть или напрямую питая электрические устройства. Этот вид энергии можно использовать для питания солнечных часов, калькуляторов или светофоров. Они часто используются в местах, которые не подключены к электросети.

2. Солнечные коллекторы

Солнечный тепловой коллектор использует тепло, поглощая солнечные лучи. Этот метод использует солнечную энергию для нагрева воды (солнечные панели для горячей воды) для домашнего использования, например, для водонагревателей, гидромассажных ванн и наземных бассейнов. Концентрированные солнечные электростанции используют более сложные коллекторы для производства электроэнергии путем нагрева жидкости для вращения турбины, соединенной с генератором. Простые коллекторы обычно используются в коммерческих и жилых зданиях для отопления помещений.

Солнечная энергия, преобразованная в электричество, может быть мгновенно использована для питания фонарей или многих других устройств. Более того, его можно хранить в батареях для использования в будущем. Солнечные элементы обычно вырабатывают электричество постоянного тока (DC). Однако его можно преобразовать в переменный ток (переменный ток) с помощью устройства, известного как инвертор. Солнечная энергия, преобразованная в тепловую энергию для нагрева воды, может использоваться мгновенно или храниться в виде горячей воды в резервуарах для дальнейшего использования.

Солнечную энергию можно в общих чертах разделить на активную или пассивную солнечную энергию в зависимости от того, как они улавливаются и используются.В активной солнечной энергии используется специальное солнечное отопительное оборудование для преобразования солнечной энергии в тепловую, тогда как в пассивной солнечной энергии механическое оборудование отсутствует. Активная солнечная энергия включает использование механического оборудования, такого как фотоэлектрические элементы, солнечные тепловые коллекторы или насосы и вентиляторы для улавливания солнечной энергии.

Пассивные солнечные технологии преобразуют солнечную энергию в тепловую без использования активных механических систем. В основном это практика использования окон, стен, деревьев, размещения зданий и других простых методов для захвата или отражения солнца для использования.Пассивное солнечное отопление – отличный способ экономии энергии и максимального ее использования. Примером пассивного солнечного отопления является то, что происходит с вашим автомобилем в жаркий летний день.

Как солнечная энергия преобразуется в электричество?

Первым шагом по преобразованию солнечной энергии в электричество является установка фотоэлектрических (PV) элементов или солнечных элементов. Фотоэлектрические – это свет и электричество. Эти клетки задерживают солнечную энергию и преобразуют ее в электричество. Эти солнечные элементы сделаны из материалов, которые демонстрируют фотоэлектрический эффект, то есть, когда солнечные лучи попадают на фотоэлектрический элемент, фотоны света вызывают электроны внутри элемента, заставляя их течь, в конечном итоге производя электричество.

При покупке солнечных панелей было бы полезно знать варианты, доступные на рынке. Вот краткое описание основных из них:

• Поликристаллический – Используется мультикристаллический кремний
• Монокристаллический – идеально подходит для небольших помещений
• Тонкая пленка – Обычно больше по размеру и намного эффективнее в течение дня

Различие между материалом, используемым для производства монокристаллического и поликристаллического, заключается в строении кремниевой подложки, используемой для производства солнечных элементов и, в конечном итоге, солнечных панелей.Как следует из названия, поликристаллический означает множество кристаллов, а монокристаллический – монокристалл. Чем больше размер кристалла, тем эффективнее солнечные элементы, что объясняет причину, по которой монокристаллические элементы обычно на 10-15% эффективнее поликристаллических кристаллов.

Как работают солнечные батареи?

Солнечная панель должна быть установлена ​​на открытой площадке, не загороженной деревьями или другими установками. Крыша – лучший вариант.Затем он подключается к зданию через инвертор. Инвертор – это устройство, преобразующее переменный ток (переменный ток) в постоянный ток. Итак, в этом случае переменный ток – это энергия, создаваемая солнечными батареями. Эта солнечная энергия преобразуется в переменный ток. Причина преобразования постоянного тока в переменный заключается в том, чтобы позволить использовать энергию различными бытовыми приборами точно так же, как вы питаете свою электронику обычным электричеством.

Что необходимо учитывать перед установкой солнечных панелей

Прежде чем делать какие-либо шаги по установке солнечной панели в вашем доме, убедитесь, что солнечная энергия подходит вам и вашему дому.Затем убедитесь, что в вашем районе достаточно солнечного света. Пригодность солнечной энергии значительно зависит от того, сколько солнца получает область. Если ваш район не получает достаточно солнечного света, вложение в солнечные батареи не будет лучшим поводом для действий.

После определения того, что ваша область получает достаточное количество солнечного света, убедитесь, что для установки достаточно места. . Мы узнали, что солнечные панели обычно устанавливаются на крышах зданий. Хотя это похвально, это не единственный вариант.Если у вас есть свободное пространство на заднем дворе, это будет идеальное место для наземных животных. Вариант на заднем дворе идеально подходит для тех, чьи крыши сильно затенены или конструктивно не важны для солнечных батарей. Кроме того, важно знать местные законы относительно установки солнечных батарей, чтобы избежать проблем с местными властями. Вы можете получить эту информацию у местного консультанта по солнечной энергии

.

Воздействие на окружающую среду

Хотя солнечная энергия считается одним из самых чистых и возобновляемых источников энергии среди доступных источников, она также оказывает определенное воздействие на окружающую среду.Солнечная энергия использует фотоэлектрические элементы для производства солнечной энергии. Однако для производства фотоэлементов, которые производят эту энергию, требуется кремний и , производят некоторые отходы . Неправильное обращение с этими материалами может привести к опасному воздействию на человека и окружающую среду. Для установки солнечных электростанций может потребоваться большой участок земли, который может повлиять на существующие экосистемы . Солнечная энергия не загрязняет воздух при преобразовании в электричество с помощью солнечных батарей.Он содержится в изобилии и не помогает при глобальном потеплении.

Солнечная энергия будущего

Прежде чем мы начнем обсуждать будущее солнечной энергии, мы должны сначала рассмотреть некоторые факты в перспективе:

Изменение климата – реальное явление и большая угроза для людей и других форм жизни на планете Земля.

Если мы серьезно настроены снизить риск наших детей подвергнуться серьезным последствиям изменения климата, мы должны занять первое место в минимизации выбросов парниковых газов на 80% к концу 2050 года.Поскольку 60% глобальных выбросов является результатом использования энергии, мы обязаны внедрять технологии с низким уровнем выбросов углерода в огромных масштабах, начиная с сегодняшнего дня.

Солнечная энергия – крупнейший энергетический ресурс, на сегодняшний день

Возобновляемые или нет, другие источники энергии, кроме геотермальной, ядерной и приливной, происходят от солнечного света. Ископаемое топливо – это просто солнечная энергия, которая использовалась десятилетиями (с использованием останков животных и растений) в качестве батарей. Волновая и ветровая энергия обязаны своим происхождением солнечной энергии.Среди источников энергии с низким уровнем выбросов углерода только ветер, солнечная энергия и, возможно, ядерная энергия могут обеспечить развертывание на уровне тераватт (ТВт), необходимом для удовлетворения постоянно растущего спроса на энергию.

Значительное развитие солнечных фотоэлектрических технологий.

Фотоэлектрическая технология расширяется быстрее, чем любая энергетическая технология. Мощность всех установленных фотоэлектрических устройств удваивалась каждые 2 года с 2000 года, достигнув пиковой мощности 200 гигаватт (ГВт) в 2014 году.Этот экспоненциальный рост не показывает никаких признаков ослабления. Если быстрый рост фотоэлектрических технологий продолжится такими необычайными темпами, солнечная энергия, без тени сомнения, сможет удовлетворить весь мировой спрос на электроэнергию в течение следующего десятилетия.

Тем не менее, будущее солнечной энергии не более чем светлое, учитывая, что такие крупные экономики, как США и Китай, вкладывают миллиарды долларов в разработку и внедрение технологий солнечной энергии. Кроме того, тот факт, что солнечная энергия является возобновляемым ресурсом, делает ее привлекательной для большинства правительств, которые сокращают зависимость от ископаемого топлива.

Преобразование солнечной энергии – обзор

Солнечные системы в водородные: разделение воды

Производство водорода на солнечной энергии, вероятно, предлагает более простой путь к преобразованию возобновляемой солнечной энергии по сравнению с традиционной фотоэлектрической (PV) технологией, где требуется не только фотоэлектрический элемент, но и электролизер. В принципе, водород можно получить с помощью так называемой реакции «расщепления воды». Этот метод привлек внимание из-за его большого потенциала для низкой стоимости и чистого производства водорода, и он подразделяется на три категории: (1) термохимическое расщепление воды, (2) фотобиологическое расщепление воды и (3) фотокаталитическое расщепление воды.Термохимическое расщепление воды использует тепло, накопленное от солнечного света через солнечные концентраторы, для разделения воды, ³ , в то время как фотобиологическое и фотокаталитическое расщепление воды использует бактерии, аэробно или анаэробно, ⁴ и фотокатализаторы, ⁵ соответственно, для преобразования энергии света в химическую энергию.

Основываясь на термодинамике протекающих реакций, Нозик ⁶ и Бард ⁷ классифицировали фотокаталитическую систему (ПК) как систему, в которой поглощение фотонов способствует реакции с ΔG <0, поэтому нет чистого хранилища химическая энергия, но лучистая энергия используется системой для проведения реакции, кинетика которой была бы чрезвычайно медленной в отсутствие фотокатализатора.С другой стороны, в фотосинтетической системе (ФС) лучистая энергия строго необходима, потому что она обеспечивает количество энергии Гиббса для запуска реакции с ΔG> 0 (см. рис. 1 ).

Рис. 1. Первичные процессы, участвующие в фотокатализе и фотосинтезе, поглощение света для запуска термодинамически более (фотокатализ) или менее (фотосинтез) стабильного продукта по сравнению с реагентами. ⁸

Поскольку продукты PS имеют более высокую свободную энергию, чем реагенты, термодинамически предпочтительна обратная реакция фотосинтеза.Это означает, что системы PS также должны быть способны подавлять эту обратную реакцию PS. ⁸ Соответственно, обе системы могут (1) поглощать генерирующие свет носители заряда, то есть электроны и дырки, и (2) доставлять эти носители заряда к адсорбированным химическим веществам на их поверхности, то есть запускать окислительно-восстановительные реакции. Материалы, поглощающие свет, представляют собой фотокатализаторы, которые в гетерогенных системах обычно являются полупроводниками. ⁹

Значительные усилия были посвящены выделению водорода с помощью фотоэлементов из системы, состоящей из полупроводниковых частиц, взвешенных в водных растворах, и растворенных органических соединений. ¹⁰ Эти соединения называются жертвенными реагентами. Например, в системе Pt / TiO ₂ -вода-метанол метанол окисляется с помощью дырок фотогенерированной валентной зоны (VB) на декорированном металлом фотокатализаторе, что позволяет восстанавливать воду до водорода фотогенерированными электронами в зона проводимости (ЗП). Такие жертвенные реагенты необратимо реагируют с фотогенерированными дырками и, следовательно, улучшают разделение электронов / дырок. Эта концепция может быть использована для фотокаталитического производства водорода с одновременным разложением загрязняющих веществ или для так называемого фотореформинга. ² Великолепные возможности могут быть достигнуты, когда используются субстраты, полученные из биомассы, а затем потребляются полностью возобновляемые виды сырья в дополнение к полностью возобновляемому производству водорода. ^{11, 12}

Таким образом, в системах фотореформинга органическое вещество будет окисляться фотогенерированными дырками на поверхности фотокатализатора, тогда как вода будет уменьшаться, потребляя фотогенерированные электроны CB (уравнение 1).

(1) CxHyOz + 2x − zh3O → 2x + y / 2 − zh3 + xCO2

В большинстве случаев для преодоления перенапряжения, необходимого для выделения водорода, требуется соответствующий сокатализатор (ы), например наночастицы Pt. ¹³

С одной стороны, разложение органических молекул над правильно освещенными полупроводниками может зависеть либо от образования высокореактивных гидроксильных и супероксидных радикалов на поверхности фотокатализатора, которые будут атаковать органические молекулы для их дальнейшего разложения, либо от прямое поглощение фотогенерированных дырок органической молекулой для ее окисления. ¹³

Фотокаталитически генерируемые радикалы обычно отщепляют атомы водорода, например, от углеводородов, вызывая каскад реакций, которые могут привести к полной минерализации соединения или к набору продуктов или промежуточных продуктов с более низкой молекулярной массой. ¹⁰ Поскольку термодинамика способствует минимизации энергии (и максимизации энтропии Вселенной, определяемой как система плюс окружающая среда), процессы окислительной деградации относятся к классу фотокаталитических реакций. Однако выделение водорода в сочетании с процессами окислительной деструкции может принадлежать к классу ПС в зависимости от ΔG реакции в целом.

Прямой фотолиз воды не является кандидатом на преобразование солнечной энергии, поскольку при расщеплении воды на H и OH в качестве радикальных фрагментов энергетический порог составляет около λ = 240 нм, ⁶ , и даже на этой длине волны поглощение является слабым.С другой стороны, многофотонное окислительно-восстановительное деление воды теоретически требует энергии, эквивалентной 1,23 эВ, для разделения воды на H ₂ и O ₂ (уравнения 2 и 3). Поскольку ΔG этой реакции положительный, ее следует рассматривать как фотосинтетическую реакцию.

(2) 4H ++ 4e− → 2h3E ° = 0VvsNHE

(3) O2 + 4H ++ 4e− → 2h3OE ° = 1.23VvsNHE

Таким образом, наличие окислительно-восстановительной пары с потенциалом менее 0 В относительно NHE может вызвать выделение водорода при наличии пары с потенциалом больше 1.23 В по сравнению с NHE может привести к выделению кислорода. Важно отметить, что реакция выделения кислорода (OER) требует одновременно четырех окислительных эквивалентов на молекулу, что обусловливает медленную кинетику. ^14–17 Для достижения общего разделения воды по освещенному полупроводнику нижняя часть выключателя должна иметь более отрицательный потенциал, чем у H ₂ O / H ₂ , а верхняя часть VB должна располагаться под более положительным потенциалом, чем O ₂ / H ₂ O.Таким образом, минимальная термодинамическая энергия фотонов, необходимая для запуска реакции, составляет 1,23 эВ, что эквивалентно длине волны около 30 Гц. 1000 нм, то есть в ближней инфракрасной области. Поэтому ожидается, что облучение надлежащей фотокаталитической системы солнечным светом приведет к реакции. Основной принцип этого процесса, включая эти реакции, схематически проиллюстрирован на рис. 2 .

Рис. 2. Основной принцип общего расщепления воды на поверхности фотокатализатора. ¹⁹

Однако требуется дополнительная энергия (перенапряжение), чтобы направить фотогенерированные электроны и дырки через поверхность раздела и способствовать восстановлению (часто ∼ 0.1 В) и реакции окисления (часто> 0,3 В). ¹⁷ Более того, при создании пар электрон / дырка рекомбинация зарядов конкурирует с желаемыми процессами разделения и миграции этих частиц, что сильно влияет на эффективность результатов фотокаталитического расщепления воды. ^{15, 18} Таким образом, хорошее разделение и быстрая миграция фотогенерированных носителей заряда чрезвычайно важны для эффективного фотокаталитического генерирования водорода за счет расщепления воды. ¹⁵

Фотокаталитическое расщепление воды можно разделить на расщепление воды с использованием фотокатализаторов в виде частиц и фотокаталитических электродов, то есть фотоэлектрохимической ячейки (PEC).

Как работает солнечная энергия?

Как солнечные системы производят энергию?

Солнечная энергия , возможно, является самой чистой и надежной формой из имеющихся возобновляемых источников энергии , и ее можно использовать в нескольких формах для обеспечения электропитания вашего дома или бизнеса. Фотоэлектрические (PV) панели на солнечных батареях преобразуют солнечные лучи в электричество, возбуждая электроны в кремниевых элементах с помощью фотонов солнечного света. Затем это электричество можно использовать для снабжения возобновляемой энергией ваш дом или бизнес.

Чтобы лучше понять этот процесс, давайте рассмотрим компоненты солнечной энергии, которые составляют полную солнечную энергетическую систему.

Кровельная система

В большинстве солнечных систем , солнечных панелей, размещаются на крыше.В идеальном месте панели не будут иметь тени, особенно в часы сильного солнечного света с 9 до 15 часов; установка, ориентированная на юг, обычно обеспечивает оптимальный потенциал для вашей системы, но другая ориентация может обеспечить достаточную производительность. Деревья или другие факторы, вызывающие затенение в течение дня, значительно снизят выработку электроэнергии. Важность затенения и эффективности невозможно переоценить. В солнечной панели , если хотя бы одна из ее 36 ячеек затенена, выработка энергии будет уменьшена более чем наполовину.Опытные подрядчики по установке, такие как NW Wind & Solar, используют устройство под названием Solar Pathfinder для тщательного определения потенциальных зон затенения перед установкой.

Не каждая крыша имеет правильную ориентацию или угол наклона, чтобы использовать солнечную энергию. Некоторые системы имеют поворотные панели, отслеживающие движение солнца по небу. Фотоэлектрические системы без слежения должны быть наклонены под углом, равным широте площадки, чтобы поглощать максимальное количество энергии круглый год.Альтернативные ориентации и / или склонности могут использоваться для оптимизации выработки энергии в определенное время дня или для определенных сезонов года.

Солнечные батареи

Солнечные панели, также известные как модули, содержат фотоэлектрические элементы из кремния, которые преобразуют поступающий солнечный свет в электричество, а не в тепло. («Фотоэлектрические» означает электричество от света – фото = свет, гальваника = электричество.)

Солнечные фотоэлектрические элементы состоят из положительной и отрицательной кремниевой пленки, помещенной под тонкий слой стекла.Когда фотоны солнечного света падают на эти клетки, они сбивают электроны с кремния. Отрицательно заряженные свободные электроны предпочтительно притягиваются к одной стороне кремниевого элемента, что создает электрическое напряжение, которое может собираться и передаваться. Этот ток собирается путем последовательного соединения отдельных солнечных панелей, чтобы сформировать солнечную фотоэлектрическую батарею. В зависимости от размера установки, несколько цепочек кабелей солнечных фотоэлектрических панелей заканчиваются в одной электрической коробке, называемой объединителем с плавкими вставками.В блоке сумматора находятся предохранители, предназначенные для защиты кабелей отдельных модулей, а также соединений, которые подают питание на инвертор. Электроэнергия, производимая на этом этапе, является постоянным током (постоянный ток) и должна быть преобразована в переменный ток (переменный ток), пригодный для использования в вашем доме или на работе.

Инвертор

Инвертор обычно располагается в доступном месте, как можно ближе к модулям. В жилых помещениях инвертор часто монтируется на внешней боковой стене дома рядом с электрической магистралью или вспомогательными панелями.Поскольку инверторы издают небольшой шум, это следует учитывать при выборе места.

Инвертор преобразует электричество постоянного тока, вырабатываемое солнечными панелями, в переменный ток 120 вольт, который можно сразу использовать, подключив инвертор непосредственно к специальному автоматическому выключателю на электрической панели.

Инвертор, счетчик производства электроэнергии и счетчик электроэнергии подключаются таким образом, чтобы мощность, производимая вашей солнечной электрической системой, сначала потреблялась электрическими нагрузками, которые в настоящее время работают.Баланс энергии, производимой вашей солнечной электрической системой, проходит через вашу электрическую панель и выходит в электрическую сеть. Всякий раз, когда вы производите больше электроэнергии из вашей солнечной системы, чем вы потребляете сразу, ваш счетчик электроэнергии поворачивается назад!

Счетчик нетто

В солнечной электрической системе, которая также связана с коммунальной сетью, мощность постоянного тока от солнечной батареи преобразуется в мощность переменного тока 120/240 вольт и подается непосредственно в систему распределения электроэнергии в здании.Электроэнергия измеряется по сетке, что означает, что она снижает спрос на электроэнергию от коммунального предприятия, когда солнечная батарея вырабатывает электроэнергию, что снижает счет за коммунальные услуги. Эти связанные с сетью системы автоматически отключаются, если электроэнергия отключается, защищая рабочих от подачи электроэнергии обратно в сеть во время отключения электроэнергии. Эти типы электрических систем, работающих на солнечной энергии, известны как «сетевые» или «безбатарейные» и составляют примерно 98% солнечных энергетических систем, устанавливаемых сегодня.

Другие преимущества солнечной энергии

Снижая счета за коммунальные услуги в здании, эти системы не только окупаются со временем, но и помогают снизить загрязнение воздуха, вызываемое коммунальными предприятиями.Например, солнечные энергетические системы помогают увеличить так называемую «мощность генерирования пиковой нагрузки», тем самым избавляя коммунальное предприятие от включения дорогих и загрязняющих дополнительных систем в периоды пикового спроса. Чем больше солнечных электроэнергетических систем местного производства установлено в зоне обслуживания данного коммунального предприятия, тем меньше мощности необходимо построить, тем самым избавляя всех от финансирования дорогостоящих дополнительных источников генерирования энергии. Использование чистой экологически чистой энергии из вашей собственной солнечной энергосистемы помогает создавать рабочие места и является отличным способом смягчения последствий загрязнения и других проблем, связанных с электричеством, полученным из ископаемого топлива.Электрогенерирующие системы на солнечной энергии помогают снизить воздействие на окружающую среду и в то же время сэкономить деньги!

Solar 101: Как работает солнечная энергия (шаг за шагом)

Вы когда-нибудь смотрели на солнечные панели на крышах и задавались вопросом, что именно они делают и как? Что ж, эти высокотехнологичные пространства мерцающего стекла на самом деле являются всего лишь одним компонентом в сложной сети, которая использует возобновляемую энергию солнца для доставки электричества в дом.

Давайте посмотрим, как работает солнечная энергия, шаг за шагом.

Как солнечные батареи вырабатывают электричество?

ШАГ 1: Панели активируются солнечным светом.

Стойко-панельная солнечная система

Каждая отдельная панель состоит из слоя кремниевых ячеек, металлического каркаса, стеклянного корпуса, окруженного специальной пленкой, и проводки. Для максимального эффекта панели группируются в «массивы» (упорядоченная серия) и размещаются на крышах или на больших открытых площадках. Солнечные элементы, которые также называются фотоэлектрическими элементами , поглощают солнечный свет в дневное время.

ШАГ 2: Ячейки вырабатывают электрический ток.

Слиток кремния и пластина

Внутри каждого солнечного элемента находится тонкая полупроводниковая пластина, сделанная из двух слоев кремния. Один слой заряжен положительно, а другой – отрицательно, образуя электрическое поле. Когда световая энергия солнца попадает на фотоэлектрический солнечный элемент, он возбуждает в нем энергию и заставляет электроны «отрываться» от атомов внутри полупроводниковой пластины. Эти свободные электроны приводятся в движение электрическим полем, окружающим пластину, и это движение создает электрический ток.

ШАГ 3: Преобразуется электрическая энергия.

Солнечный инвертор. Изображение предоставлено SMA Solar Technology AG

Теперь у вас есть солнечные панели, эффективно преобразующие солнечный свет в электричество, но вырабатываемое электричество называется электричеством постоянного (или постоянного) тока, а это не тот тип электричества, который питает большинство домов, а именно электричество переменного тока (или переменного тока). К счастью, электричество постоянного тока можно легко преобразовать в электричество переменного тока с помощью устройства, называемого инвертором.В современных солнечных системах эти инверторы могут быть сконфигурированы как один инвертор для всей системы или как отдельные микроинверторы, прикрепленные за панелями.

ШАГ 4: Преобразованная электроэнергия питает ваш дом.

Солнечный микроинвертор

После того, как солнечная энергия преобразована из постоянного тока в переменный, она проходит через вашу электрическую панель и распределяется по дому для питания ваших приборов. Он работает точно так же, как электроэнергия, вырабатываемая через сеть вашей электроэнергетической компанией, поэтому ничего в доме не нужно менять.Поскольку вы по-прежнему остаетесь подключенными к своей традиционной энергетической компании, вы можете автоматически потреблять дополнительную электроэнергию, чтобы восполнить любую нехватку солнечной энергии из сети.

ШАГ 5: Счетчик нетто измеряет использование.

Умный электросчетчик

В пасмурные дни и в ночное время ваша солнечная черепица или панели могут не улавливать достаточно солнечного света для использования в качестве источника энергии; и наоборот, в середине дня, когда никого нет дома, они могут накапливать излишки энергии – больше, чем вам нужно для работы вашего дома.Вот почему счетчик используется для измерения расхода электроэнергии в обоих направлениях – в ваш дом и из него. Ваша коммунальная компания часто предоставляет кредиты за любую избыточную мощность, которую вы отправляете обратно в сеть. Это известно как нетто-счетчик .

Заключение

Теперь, когда вы знаете основы солнечной энергии, вы можете поразиться тому, как современные фотоэлектрические технологии могут использовать огромную энергию солнца для управления домом. Возможно, это и не ракетостроение, но это определенно проявление человеческой изобретательности в лучшем виде.

Заинтересованы в солнечной кровле для вашего дома? Изучите наши солнечные продукты или найдите сертифицированного установщика солнечных батарей в вашем регионе.

От солнечного света к электричеству – Любопытный

Земля залита огромным количеством энергии Солнца – 885 миллионов тераватт-часов ежегодно. Это много – примерно в 6200 раз больше, чем рекламный первичная энергия использовалась в мире в 2008 году. Люди всегда напрямую использовали часть солнечной энергии – например, для сушки одежды и продуктов питания.Они также использовали его косвенно – через фотосинтез, чтобы стимулировать рост растений, лежащих в основе сельского хозяйства, которое обеспечивает нас пищей и кислородом, которым мы дышим.

Есть еще один способ использовать этот богатый источник энергии: фотоэлектрические (фото = свет, гальваника = электричество, образовавшееся в результате химической реакции) солнечные элементы, которые позволяют нам напрямую преобразовывать солнечный свет в электричество. После демонстрации первого кремниевого фотоэлемента в 1954 году Дэрилом Чапином, Кэлвином Фуллером и Джеральдом Пирсоном в Bell Laboratories, Нью-Джерси, мы совершенствовали технологию, которая позволяет нам использовать надежную, бесплатную и чистую энергию Солнца.

Первый практический кремниевый фотоэлектрический элемент был разработан Дэрилом Чапином, Кэлвином Фуллером и Джеральдом Пирсоном в Bell Laboratories в 1954 году.

Этот первый солнечный элемент имел эффективность около 5 процентов. За многие годы упорной работы эта цифра выросла примерно до 20 процентов. Солнечные панели появляются на все больше и больше крыш в наших пригородах, поскольку солнечные фотоэлектрические установки (ФЭ) становятся все более жизнеспособным вариантом для домашнего производства электроэнергии.

Фотоэлектрические солнечные элементы, такие как те, что используются в этих крышных панелях, преобразуют свет непосредственно в электричество.Источник изображения: Marufish / Flickr.

а как именно работает? Как можно заставить солнечный свет питать автомобили или производить электричество, необходимое для наших компьютеров, телевизоров и тостеров?

Как работают фотоэлементы

Уже более 150 лет известно, что свет может влиять на электрические свойства некоторых материалов. Это называется фотоэлектрическим эффектом.В 1921 году Эйнштейн получил Нобелевскую премию за свою работу, объясняющую это. Фотоэлектрические элементы основаны на родственном явлении, называемом фотоэлектрическим эффектом, и они преобразуют свет непосредственно в электричество. Посмотрим, как это сделать.

Большинство фотоэлементов сделано из кремния, элемента, который лежит в основе всей современной электроники. Кремний особенный из-за расположения его электронов – у него четыре из восьми возможных электронов на внешней оболочке. Это означает, что он создает идеальные ковалентные связи с четырьмя другими атомами кремния, образуя решетчатую структуру.

Внешние электроны в атомах кремния образуют ковалентные связи друг с другом, создавая решетчатую структуру.

Этот связывающий механизм означает, что вокруг плавает очень мало свободных электронов, что нам и нужно для создания электричества. В конце концов, это и есть электричество – поток электронов. Из-за расположения связей в его кристаллической структуре кремний в чистом виде не имеет большого количества свободных электронов, поэтому мы «легируем» его.

Легирование добавляет примеси в кремний, чтобы изменить способ, которым его атомы связаны друг с другом и разделяют свои электроны.Добавление небольшого количества фосфора, который имеет пять электронов на внешней оболочке по сравнению с четырьмя электронами кремния, означает, что лишнему (пятому) электрону не с чем связываться, поэтому он может свободно перемещаться и создавать электрический ток. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому, когда кремний легируется таким образом, он называется отрицательным материалом n-типа.

Когда кремний легируется элементами, имеющими лишние электроны во внешней оболочке, получается материал n-типа.

Мы также можем допировать бором, у которого на внешней оболочке всего три электрона.Это оставляет одну из связей только с одним электроном, создавая «дыру» в структуре связи. Электроны в кремнии, легированном бором, могут прыгать и заполнять отверстие. В качестве альтернативы, сами дырки можно представить как движущиеся (в направлении, противоположном электронам), когда электроны прыгают от одной связи к другой. Это движение также представляет собой электрический ток. Теперь у нас есть материал с полным дефицитом электронов, что делает его положительным (p-тип).

Когда кремний легируется элементами, у которых меньше электронов на внешней оболочке, получается материал p-типа.

Лишние электроны и дырки могут плавать по решетке; они «общие» для всех атомов в структуре. Это дает каждому легированному материалу общее небольшое предпочтение отдавать или принимать электроны. Это известно как электроотрицательность – мера того, насколько сильно атом или материал цепляются за свои электроны.

Благодаря легированию и, как следствие, изменению электроотрицательности кремний превращается в проводник электричества (хотя и не очень хороший).

Однако, когда мы помещаем материалы p-типа и n-типа в контакт друг с другом, происходит кое-что интересное (и полезное).В точке, где встречаются два типа – переходе – электроны из слоя n-типа диффундируют в слой p-типа, оставляя после себя область с небольшим положительным зарядом в слое n-типа. В слое p-типа происходит обратное – дырки диффундируют в слой n-типа, оставляя небольшой отрицательный заряд в области слоя p-типа. Это создает электрическое поле, которое направляет электрический ток.

Дырки диффундируют в слой n-типа, а электроны диффундируют в слой p-типа.Это создает электрическое поле на стыке двух слоев.

Теперь рассмотрим фотоэлектрический элемент, сделанный из тонкой пластины кремния p-типа, наложенной на слой кремния n-типа. Когда солнечный свет попадает в нашу клетку, энергия его фотонов переводит электроны в состояния, называемые «электронно-дырочными парами». Когда они образуются в непосредственной близости от электрического поля на стыке слоев p- и n-типа, электрическое поле разъединяет пару (они образуют состояние «с разделенными зарядами»). Управляемые силой электрического поля электроны перемещаются на сторону n-типа, а дырки – на сторону p-типа.

Энергия фотонов может также создавать электронно-дырочные пары в других частях легированного кремния. Иногда эти электронно-дырочные пары просто снова образуют пары (рекомбинируют) с дополнительной энергией, выделяемой в виде тепла. Но если они окажутся вблизи электрического поля на стыке слоев p- и n-типа, электрическое поле отправит электроны в слой n-типа, а дырки – в слой p-типа.

Если вы создадите внешнее соединение (с помощью электродов и провода) между двумя слоями, электрон затем вернется через провод к слою p-типа в виде электрического тока, который выполняет полезную работу.Все это действует как электрическая батарея, постоянно заряжаемая солнечным светом.

Почему именно эти элементы?

Из всех элементов периодической таблицы, зачем использовать кремний в качестве основного компонента солнечного элемента и зачем добавлять фосфор и бор?

Кремний – наиболее распространенный материал для фотоэлементов, поскольку максимальная длина волны поглощаемой им энергии составляет около 800 нанометров, что близко к пику излучения, излучаемого Солнцем.Солнце излучает спектр излучения в диапазоне от 300 до 2000 нанометров, но, безусловно, большая его часть находится в диапазоне от 420 до 700 нанометров.

Причина, по которой фосфор и бор чаще всего используются в качестве допирующих агентов, немного сложнее. Чтобы создать поток электронов внутри солнечного элемента, электроны должны быть выведены из своего стабильного «основного» состояния на более высокий энергетический уровень, необходимый для их перехода от стороны p-типа к стороне n-типа.Это количество энергии эквивалентно разнице в электроотрицательности между двумя слоями (это называется запрещенной зоной). Меньше, и этого будет недостаточно, чтобы «выбить» электрон, и любая дополнительная энергия будет потрачена впустую.

Оказывается, разница в электроотрицательности кремния, легированного фосфором, и кремния, легированного бором, в значительной степени равна энергии, выделяемой одним фотоном солнечного света, что делает их идеальными легирующими добавками для кремниевых солнечных элементов.

В поисках эффективности

Ни один метод преобразования энергии не является эффективным на 100 процентов.Растения преобразуют солнечный свет в энергию с эффективностью около 5–6 процентов, а электростанция, работающая на ископаемом топливе, эффективна только на 30–50 процентов – вся дополнительная энергия, содержащаяся в сжигаемом ею топливе, выделяется в виде тепла и эффективно потрачено.

Есть несколько проблем, которые означают, что солнечные элементы не полностью эффективны в преобразовании солнечного света в электрическую энергию. Во-первых, энергии, обеспечиваемой фотонами, может быть недостаточно, чтобы позволить электронам вырваться из своих электронно-дырочных пар.В других случаях фотоны могут дать больше энергии, чем требуется для освобождения электрона, и избыток тратится. Кроме того, когда электроны вырываются из своих пар, они часто просто рекомбинируют с другой дыркой, не переходя на слой n-типа.

Максимальный КПД кремниевого фотоэлемента при преобразовании солнечного света в электрическую энергию составляет около 20 процентов, и для выработки полезного количества энергии необходимы солнечные элементы большой площади. Поэтому ведется поиск гораздо более дешевых ячеек без слишком большого ущерба для эффективности.

В 2014 году команда из Университета Нового Южного Уэльса установила мировой рекорд эффективности 40%, используя коммерчески доступные (традиционные монокристаллические кремниевые) солнечные элементы. Они разработали метод фокусировки солнечного света и использовали специальный фильтр для улавливания солнечного света, который обычно теряется.

Университет Нового Южного Уэльса также реализует несколько других многообещающих направлений. Вместо того, чтобы вырезать кусочки из специально выращенных монокристаллов кремния, одна из возможностей заключается в выращивании тонких пленок кремния на более дешевых пластинах поликристаллического кремния или на стеклянных пластинах.В этом процессе используется на 99 процентов меньше кремния, чем в традиционных технологиях, и в настоящее время он коммерчески используется в Европе.

Кроме того, Технологический университет Суинберна разрабатывает тонкопленочный аморфный кремний, тип кремния, в котором атомы не образуют регулярную кристаллическую решетку. В случае аморфного кремния можно использовать более тонкие слои кремния, что снова делает процесс намного дешевле, хотя и менее эффективным.

Значительное внимание уделяется новым модулям тонкопленочных солнечных элементов, которые потенциально легче, гибче и дешевле, чем традиционные солнечные элементы, которые изготавливаются на стекле.Теллурид кадмия и CIGS (медь, индий, галлий (ди) селенид) могут вскоре бросить вызов традиционным кремниевым модулям как по стоимости, так и по эффективности.

Новые технологии включают в себя органические солнечные батареи. Консорциум органических солнечных элементов викторианской эпохи (CSIRO, Университет Мельбурна и Университет Монаша) печатает солнечные элементы на гибких полимерах, что очень похоже на подход к австралийской пластиковой банкноте. Соответствующая работа ведется в университетах Ньюкасла и Квинсленда.

Солнечные элементы, изготовленные из органической и неорганической комбинации тригалогенида метиламмония и свинца, с несколько более управляемым названием перовскитов, являются еще одной быстрорастущей технологией солнечных элементов. CSIRO недавно продемонстрировал потенциал печати перовскитов с рулона на рулон, метода, который позволяет быстро изготавливать солнечные элементы. Акционерная компания Dyesol, зарегистрированная в Австралии, объявила о расширении производства перовскитов на совместном предприятии в Турции, что является первым шагом к тому, чтобы эти гибкие, пригодные для печати солнечные элементы стали коммерчески доступными.

Кристалл перовскита произведен в Лос-Аламосской национальной лаборатории. Источник изображения: Национальная лаборатория Лос-Аламоса / Flickr.

Это надежно, бесплатно и чисто, но …

Солнечная энергия, вероятно, будет существовать так далеко в будущем, что мы можем считать ее бесконечной. По сути, это возобновляемый источник энергии, в отличие от ископаемого топлива, которое исчерпывается по мере того, как мы его используем.

Кроме того, использование солнечной энергии не вызывает загрязнения воздуха и не повреждает поверхность Земли.Не требует сложных и дорогостоящих процедур экстракции. Создание самих солнечных элементов требует ресурсов – преобразование песка в кремний по-прежнему требует значительных затрат энергии, но это окупается в течение трех или четырех лет эксплуатации солнечного элемента.

Но главная проблема в том, что делать, когда не светит солнце. Хотя мы потребляем значительное количество электроэнергии в течение дня (особенно для кондиционирования воздуха в жаркое лето), когда солнце доступно, нам также нужны хранилища, чтобы поддерживать нас в пасмурные дни и в ночное время.В отечественном масштабе лидером в производстве аккумуляторов для установки солнечных панелей на крыше в настоящее время является Tesla Powerwall. У продуктов, выпускаемых Panasonic и LG Chem, есть и другие серьезные соперники.

Солнечное будущее Австралии

Австралия получает больше всего солнечной радиации на квадратный метр из всех континентов мира (хотя область Красного моря, включая Египет и Саудовскую Аравию, имеет самый высокий потенциал солнечной энергии).Хотя в настоящее время по всей Австралии установлено более миллиона солнечных систем на крышах домов, по данным Международного энергетического агентства, в 2012 году на долю фотоэлектрической солнечной энергии приходилось лишь около 0,6% энергии Австралии.

Даже районы на юге Австралии обладают чрезвычайно высоким потенциалом солнечных ресурсов. Штат Виктория обладает большим солнечным потенциалом, чем Германия, которая в настоящее время имеет самую высокую установленную мощность солнечной энергии среди всех стран мира. В отчете климатической комиссии о солнечной энергии в Австралии (PDF) говорится, что количество солнечной радиации, которую Австралия получает за год, примерно в 10 000 раз превышает потребление энергии в стране, и что площади всего в 20 000 квадратных километров будет достаточно, чтобы обеспечить страну теплом. его энергетические потребности.

Очевидно, что у нас под рукой обширный ресурс. Нам просто нужно использовать это.

Преобразование солнечной энергии

Преобразование солнечной энергии

Альваро Агилар

18 ноября 2011 г.

Представлено как курсовая работа для Ph340, Стэнфордский университет, осень 2011 г.

Рис. 1: Производство солнечных элементов за последние десять лет область, край.

Введение

Когда говорят о новых источниках энергии, кайф слово, которое встречается в разговоре, кажется, всегда “солнечный”. Это неудивительно, когда понимаешь, что емкость фотогальванического рынка (это годовой вклад в мегаватт от солнечных панелей) продемонстрировал средний рост на 37% в течение последние 10 лет. [1] Только в 2010 году 17,5 ГВт установок превысили норму 2009 г. установлено 7.5 ГВт на 141%. [2]

Солнечная конверсия

Быстрый рост рынка вдохновил многие компании инвестировать в различные виды солнечных технологий. В настоящее время есть два хорошо зарекомендовавших себя способа преобразования солнечной энергии в энергию. В первый известен как фотоэлектрический (PV), в котором падающий солнечный свет преобразуется непосредственно в электричество. Второй подход известен как концентрированная солнечная энергия (CSP), и он использует зеркала для концентрации солнечный свет и воспользоваться тепловой энергией.Тепловая энергия равна чаще всего используется для управления тепловыми циклами или для нагрева жидкостей, которые могут сохранять энергию в течение более длительных периодов времени. Наконец-то есть третий технология под названием Photon-Enhanced Thermionic Emission (PETE), которая объединяет мощность фотоэлектрических модулей и CSP для повышения общей эффективности конверсия. Однако этот подход все еще находится на стадии исследования.

Подход PV наиболее активно исследуется в момент, так как разные материалы могут дать совершенно разные результаты с точки зрения стоимости и эффективности ячеек.Из-за связанных с затратами проблем, большинство исследований основано на однопереходных устройствах, которые имеют теоретический предел 32%. [3] Полная интенсивность солнечного излучения AM1.5. спектр очень близок к 1000 Вт / м ² , что означает, что при однопереходные устройства, мы можем надеяться на максимум примерно 320 Вт / м ² . [2] Текущая цена на кремниевые солнечные элементы составляет около 1,40 доллара за ватт, что очень близко к тому, чтобы стать конкурентоспособным в энергетический бизнес.[4]

Концентрированная солнечная энергия существует уже давно time как масштабное решение для выработки электроэнергии. Например, Проект Solar One (с максимальной мощностью 42 МВт) в Даггетте, Калифорния, был завершено в 1981 году. Хотя это было построено как доказательство концепции, оно оставался в рабочем состоянии до 1986 года. Такой подход вдохновляет на исследования технология концентраторов, в частности, в области невизуализации оптика.

Третья технология, известная как PETE (Photon-Enhanced Thermionic Emission) обещает преодолеть барьер эффективности, который преследует две ранее описанные технологии.Использование стандартного PV КПД преобразования 22% вместе с преобразованием тепла в электричество КПД 31,5%, общий КПД преобразования может превышать 53%. [5] Однако, как уже упоминалось, эта технология все еще находится на ранней стадии этапы исследования.

Вместимость

Из-за наличия данных только числа для PV и Здесь представлены CSP-технологии. По оценкам, во всем мире мощность, доступная с использованием фотоэлектрической технологии, составляет 6500 ТВт.Размещение различных ограничения на это количество и с учетом фотоэлектрических систем в В местах вероятной застройки мощность станет 340 ТВт. Номер для CSP, напротив, составляет 240 ТВт. Чтобы предоставить основания для для сравнения, мы можем рассмотреть количество, предусмотренное для ветроэнергетики, что составляет около 40-85 ТВт. [6]

В настоящее время рынок фотоэлектрических систем является быстрорастущим; в Только в 2010 году по всему миру было добавлено 17 ГВт мощностей, в результате чего общее мощность до 40 ГВт.[2] В 2009 году во всем мире эксплуатировалось 604 МВт производственных мощностей CSP, 761 МВт находились в стадии строительства, а 5780 МВт находились на стадии планирования. [7]

Выводы

Солнечная энергия – очень привлекательный источник энергии для много причин. На данный момент самый важный фактор при выборе одного типа технология по сравнению с другими может быть ценой, поскольку фотоэлектрическая энергия дороже, чем CSP. Однако по мере того, как цены на фотоэлектрические панели падают из-за эффекта масштаба и По мере продвижения исследований этот фактор может стать менее важным.

Следует отметить, что эти технологии не достаточно дешево, чтобы конкурировать с другими источниками энергии в нынешнем виде. Прорыв в фотоэлектрических технологиях и производственных процессах обещает конкурентоспособность в ближайшие годы. Различные маршруты, например, PETE для например, может также предложить снижение затрат на преобразование солнечной энергии. энергия в электрическую мощность.

© Альваро Агилар. Автор дает разрешение копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде, с указание на автора, только в некоммерческих целях.Все остальные права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.

Список литературы

[1] Д. Джинли, М. Грин и Р. Коллинз, “Солнечная энергия Преобразование в 1 тераватт “, Mat. Res. Soc. Bull. 33 , 355 (2008).

[2] С. Мехта, “PV Новости Результаты годового сбора данных: Производство ячеек и модулей в 2010 г. стремительно растет Прошлые 20 ГВт », PV News, 9 мая 11.

[3] У. Шокли и Х. Дж. Кайссер, “Детальный баланс Предел эффективности солнечных элементов с p-n-переходом, J.Прил. Phys., 32 , 510 (1961).

[4] Н. О. Пирсон, “Дарвин Эффект снижает цены на фотоэлектрические батареи, говорят об изобилии солнечной энергии », Bloomberg, 5 сен 11.

[5] J. W. Schwede et al. , “Фотонное усиление Термоэлектронная эмиссия для систем солнечных концентраторов, Nature Mat. 9 , 762 (2010).

[6] М. З. Якобсон и М. А. Делукки, “Обеспечение всего Глобальная энергия с помощью ветра, воды и солнечной энергии, Часть I: Технологии, Энергетические ресурсы, количество и площади инфраструктуры, а также Материалы «Энергетическая политика 39 , 1154 (2011).

[7] П. Вибан, Ю. Лечон и Ф. Триб, ” Возможная роль концентрированной солнечной энергии (CSP) в Африке и Европе – Динамическая оценка развития технологий, затрат и Инвентаризация жизненного цикла до 2050 г., Энергетическая политика 39 , 4420 (2011).

Демонстрация эффективности преобразования солнечной энергии 47%

Новый солнечный элемент с шестью переходами, разработанный NREL (Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии), преобразует 47 элементов.1% падающего света превращается в электричество в сочетании с оптической концентрацией. По имеющимся данным, солнечные элементы этого типа могут достигать КПД 50%.

143 концентрация солнца означает, что они используют зеркала или линзы для фокусировки света на меньшую ячейку. Итак, если это ячейка кубического дюйма, тогда зеркало будет около одного квадратного фута. 144 квадратных дюйма. Вместо 24% преобразования солнечного света в энергию для обычных солнечных панелей они имеют примерно вдвое больше. Частично высокая эффективность достигается за счет дополнительной концентрации света.Больше яркости для более дорогой, но более эффективной многослойной ячейки.

Существует ряд препятствий для коммерциализации, хотя NREL полагает, что они, вероятно, будут преодолены в ближайшем будущем. Одним из них является наличие резистивного барьера внутри ячейки, который предотвращает протекание большого процента тока. Эта проблема не позволяет достичь КПД 50%. Еще одно препятствие, которое следует учитывать, – это высокая стоимость производства материалов, необходимых для устройств.

Одним из способов снижения затрат является уменьшение площади активного освещения. Например, вы можете использовать зеркало или концентратор, чтобы улавливать свет и концентрировать его на определенной точке.

Концентрация солнечного света может уменьшить количество необходимого светочувствительного материала в сто или даже тысячу раз. Хорошо известно, что эффективность увеличивается, когда свет концентрируется. До этого солнечные элементы с четырьмя переходами демонстрировали самый высокий уровень эффективности преобразования солнечной энергии, но теперь, с внедрением шести переходов, результаты значительно улучшились.Дальнейшее снижение последовательного сопротивления внутри этой структуры могло бы реально обеспечить уровни эффективности, превышающие 50%.

Nature Energy – Шестиконтактные солнечные элементы III – V с эффективностью преобразования 47,1% при концентрации 143 Солнца

Плоские наземные солнечные элементы с одинарным переходом принципиально ограничены эффективностью преобразования солнечной энергии в электричество примерно до 30%, но множественные переходы и концентрированный свет делают практически достижимую гораздо более высокую эффективность. До сих пор солнечные элементы-концентраторы с четырьмя переходами III – V демонстрировали наивысшую эффективность преобразования солнечной энергии.Здесь мы демонстрируем эффективность солнечного преобразования 47,1% с использованием монолитной, последовательно соединенной, перевернутой метаморфической структуры с шестью переходами, работающей в прямом спектре при концентрации 143 Солнца. При настройке на глобальный спектр вариация этой структуры достигает глобальной эффективности в 1 Солнце 39,2%. Практически оптимальные запрещенные зоны для шести переходов были изготовлены с использованием сплавов полупроводников AIIIBV. Для развития этих переходов было необходимо минимизировать пронизывающие дислокации в сплавах III – V с несогласованной решеткой, предотвратить фазовую сегрегацию в метастабильных четвертичных сплавах III – V и понять диффузию примесей в сложных структурах.Дальнейшее снижение последовательного сопротивления в этой структуре может реально обеспечить КПД более 50%.

Брайан Ван – идейный лидер футуризма и популярный научный блоггер с 1 миллионом читателей в месяц.