Сонячна батарея (панель) - Журнал "Все про Космос"

  1. Історія
  2. Використання в космосі
  3. Ефективність фотоелементів і модулів
  4. Фактори, що впливають на ефективність фотоелементів
  5. виробництво

Сонячна батарея на МКС

Сонячна батарея - кілька об'єднаних фотоелектричних перетворювачів (фотоелементів) - напівпровідникових пристроїв, прямо перетворюють сонячну енергію в постійний електричний струм, на відміну від сонячних колекторів, які виробляють нагрівання матеріалу-теплоносія.

Різні пристрої, що дозволяють перетворювати сонячне випромінювання в теплову та електричну енергію, є об'єктом дослідження геліоенергетики (від гелиос грец. Ήλιος, Helios - сонце ). Виробництво фотоелектричних елементів і сонячних колекторів розвивається в різних напрямках. Сонячні батареї бувають різного розміру: від вбудованих в мікрокалькулятори до займають даху автомобілів і будинків.

Історія

Перші прототипи сонячних батарей були створені італійським фотохіміком вірменського походження Джакомо Луїджі Чамічаном.

25 квітня 1954 року народження, фахівці компанії Bell Laboratories заявили про створення перших сонячних батарей на основі кремнію для отримання електричного струму. Це відкриття було зроблено трьома співробітниками компанії - Кельвіном Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller), Деріл Чапін (Daryl Chapin) і Геральдом Пирсоном (Gerald Pearson). Вже через 4 роки, 17 березня 1958 році, в США був запущений перший супутник з сонячними батареями - Vanguard 1. Лише через пару місяців, 15 травня 1958 року в СРСР був запущений Супутник-3, також з використанням сонячних батарей.

Використання в космосі

Сонячні батареї - один з основних способів отримання електричної енергії на космічних апаратах : Вони працюють довгий час без витрати будь-яких матеріалів, і в той же час є екологічно безпечними, на відміну від ядерних і радіоізотопних джерел енергії .

Однак при польотах на великій відстані від Сонця (за орбітою Марса ) Їх використання стає проблематичним, так як потік сонячної енергії обернено пропорційний квадрату відстані від Сонця. При польотах ж до Венері і Меркурію , Навпаки, потужність сонячних батарей значно зростає (в районі Венери в 2 рази, в районі Меркурія в 6 разів).

Ефективність фотоелементів і модулів

Потужність потоку сонячного випромінювання на вході в атмосферу землі (AM0), становить близько тисяча триста шістьдесят шість ват на квадратний метр (див. Також AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D). У той же час, питома потужність сонячного випромінювання в Європі в дуже хмарну погоду навіть удень може бути менше 100 Вт / м². За допомогою поширених промислово вироблених сонячних батарей можна перетворити цю енергію в електрику з ефективністю 9-24%. При цьому ціна батареї складе близько 1-3 доларів США за Ватт номінальної потужності. При промислової генерації електрики за допомогою фотоелементів ціна за кВт · год складе 0,25 дол. На думку Європейської Асоціації фотовольтаїки (EPIA), до 2020 року вартість електроенергії, що виробляється «сонячними» системами, знизиться до рівня менше 0,10 € за кВт · ч для промислових установок і менш 0,15 € за кВт · год для установок в житлових будинках.

У 2009 році компанія Spectrolab (дочірня фірма Boeing) продемонструвала сонячний елемент з ефективністю 41,6%. У січні 2011 року очікувалося надходження на ринок сонячних елементів цієї фірми з ефективністю 39%. У 2011 році каліфорнійська компанія Solar Junction домоглася ККД фотоелемента розміром 5,5 × 5,5 мм в 43,5%, що на 1,2% перевищило попередній рекорд.

У 2012 році компанія Morgan Solar створила систему Sun Simba з поліметилметакрилату (оргскла), германію та арсеніду галію, об'єднавши концентратор з панеллю, на якій встановлено фотоелемент. ККД системи при нерухомому положенні панелі склав 26-30% (в залежності від пори року і кута, під яким знаходиться Сонце), в два рази перевищивши практичний ККД фотоелементів на основі кристалічного кремнію.

У 2013 році компанія Sharp створила тришаровий фотоелемент розміром 4х4 мм на індієвий-галій-арсенідной основі з ККД 44,4%, а група фахівців з Інституту систем сонячної енергії суспільства Фраунгофера, компаній Soitec, CEA-Leti і Берлінського центру імені Гельмгольца створили фотоелемент, використовує лінзи Френеля з ККД 44,7%, перевершивши своє власне досягнення в 43,6%. У 2014 році Інститут сонячних енергосистем Фраунгофер створили сонячні батареї, в яких завдяки фокусуванні лінзою світла на дуже маленькому фотоелементі ККД склав 46%.

У 2014 році іспанські вчені розробили фотоелектричний елемент з кремнію, здатний перетворювати в електрику інфрачервоне випромінювання Сонця.

Перспективним напрямком є ​​створення фотоелементів на основі наноантенн, що працюють на безпосередньому випрямленні струмів, що наводяться в антені малих розмірів (близько 200-300 нм) світлом (т. Е. Електромагнітним випромінюванням частоти близько 500 ТГц). Наноантени не вимагають дорогої сировини для виробництва і мають потенційний ККД до 85%.

Максимальні значення ефективності фотоелементів і модулів,
досягнуті в лабораторних умовах Тип Коефіцієнт фотоелектричного перетворення,% Кремнієві Si (кристалічний) 24,7 Si (полікристалічний) 20,3 Si (тонкоплівкова передача) 16,6 Si (тонкоплівковий субмодуль) 10,4 III-V GaAs (кристалічний) 25, 1 GaAs (тонкоплівковий) 24,5 GaAs (полікристалічний) 18,2 InP (кристалічний) 21,9 Тонкі плівки халькогенідів CIGS (фотоелемент) 19,9 CIGS (субмодуль) 16,6 CdTe (фотоелемент) 16,5 Аморфний / нанокристалічним кремній Si (аморфний) 9,5 Si (нанокристалічний) 10,1 Фотохімічні На базі органічних барвників 10,4 На базі органіч ких барвників (субмодуль) 7,9 Органічні Органічний полімер 5,15 Багатошарові GaInP / GaAs / Ge 32,0 GaInP / GaAs 30,3 GaAs / CIS (тонкоплівковий) 25,8 a-Si / mc-Si (тонкий субмодуль) 11 , 7

Фактори, що впливають на ефективність фотоелементів

Особливості будови фотоелементів викликають зниження продуктивності панелей з ростом температури.

Часткове затемнення панелі викликає падіння вихідного напруги за рахунок втрат в неосвітленому елементі, який починає виступати в ролі паразитної навантаження. Від даного недоліку можна позбутися шляхом установки байпаса на кожен фотоелемент панелі.

З робочої характеристики фотоелектричної панелі видно, що для досягнення найбільшої ефективності потрібно правильний підбір опору навантаження. Для цього фотоелектричні панелі не підключають безпосередньо до навантаження, а використовують контролер управління фотоелектричними системами, що забезпечує оптимальний режим роботи панелей.

виробництво

Дуже часто поодинокі фотоелементи не виробляє достатньої потужності. Тому певна кількість фотоелементів з'єднується в так звані фотоелектричні сонячні модулі та між скляними пластинами монтується зміцнення. Ця збірка може бути повністю автоматизована.