Bateria słoneczna

Fotodioda vs bateria słoneczna

• -dla fotodiody interesujący jest tylko zakres długości fal w pobliżu piku czułości;

• -dla baterii – im szerszy zakres tym lepiej;• -fotodioda powinna mieć małą pojemność C, gdyż stała czasowa

decydująca o szybkości odpowiedzi fotodiody z punktu widzenia obwodu elektrycznego = RDC. Dlatego fotodioda powinna mieć małą powierzchnię;

• -bateria powinna mieć dużą powierzchnię aby duża ilość fotonów docierała do złącza;

• -dla fotodiody najważniejszym parametrem jest wydajność kwantowa;

• -dla baterii – sprawność baterii.

Parametry użytkowe fotodiody

pI hc

q P

Ri =

Wydajność kwantowa fotodiody:

Czułość prądowa fotodiody: i

I qR

P hc

hc

qRRRR DDiV

Czułość napięciowa fotodiody:

Przy pracy fotodiody bez polaryzacji zewnętrznej dominuje szum Johnsona – Nyquista i detekcyjność wyraża się wzorem:

D

VD

kTR2

AR

kT

AR

hc2

q*D

Fotodioda p-i-n

 

• 

Fotodioda M-S.

Rodzaje fotodiod

• Fotodiody na heterozłączach.

•  

• Fotodiody lawinowe

Zasoby kopalin (optymistyczne prognozy) (Oil & Gas Journal, World Oil) przy obecnym poziomie konsumpcji energii, wystarczą na:Węgiel - 417 latOlej - 43 lata Gaz - 167 lat Ze względu na rosnącą konsumpcję, przewiduje się, że każde z w.w źródeł energii wyczerpie się szybciej. Według teorii Hubberta, zależność wykorzystania źródeł w funkcji czasu podlega krzywej dzwonowej.

Kopaliny – konwencjonalne źródła energii

Ewolucja światowych zasobów oleju według teorii Hubberta

Przewiduje się, że odnawialne źródła energii będą stanowić istotny składnik zasobów energetycznych w okresie najbliższych 25 lat

Odnawialne źródła energii

Główne przyczyny:Rosnące zapotrzebowanie energetyczneSpadek produkcji paliw konwencjonalnychSpadek cen odnawialnych źródeł energiiEkologia

Przyszłość odnawialnych źródeł energii

Źródło: Royal Dutch Shell Group

0

100

200

300

węg

iel

rop

a

gaz

e. ją

dro

wa

bio

mas

a

wo

da

wia

tr

Sło

ńce

Geo

19992020

20402060E

xaJ

1exaJ=1018J

Fotowoltaika• Jest to metoda wytwarzania energii elektrycznej poprzez konwersję

promieniowania słonecznego bezpośrednio na prąd elektryczny. Konwersja odbywa się w półprzewodnikach, w których zachodzi efekt fotowoltaiczny.

• Podstawowym elementem fotowoltaicznym jest ogniwo, z którego wykonuje się panele (zestaw wielu ogniw) i matryce paneli.

• Fotowoltaika rozwija się dynamicznie. Moc generowana przy pomocy ogniw fotowoltaicznych pod koniec roku 2011 wynosiła 69 GW . Całkowita energia wytwarzana w ciągu roku jest równa ok. 80 miliardów kWh. Jest to energia wystarczająca do pokrycia rocznego zapotrzebowania 20 millionów gospodarstw domowych. W chwili obecnej, fotowoltaika jest trzecim najważniejszym odnawialnym źródłem energii obok elektrowni wodnej i wiatrowej.

• Ponad 100 krajów stosuje fotowoltaiczne źródła energii. Instalacje fotowoltaiczne są montowane bądź w gruncie bądź na dachach.

• http://accendo.ro/RES/solar_demo.htm

Produkcja fotoogniw w latach 2001-2010

12

Dlaczego energia słoneczna?

Konwersja energii słonecznej z 1% obszaru Ziemi, z 10% wydajnością wystarczy na zaspokojenie zapotrzebowania energetycznego w ilości dwukrotnie większej niż konsumowane obecnie!

strefa konwekcji

strefa reakcji termojądr.

strefa radiacyjna

w strefie konwekcji energia jest transport. na zewnątrz

energia produkowana w rdzeniu jest transport. na zewnątrz przez fotony

w jądrze zachodzą reakcje termojądrowe

Słońce

Siła ciśnienia termicznego skierowana na zewnątrz jest równoważona przez siłę grawitacji

Równowaga hydrostatyczna

Synteza termojądrowa na Słońcu

11

11

12

11

23

23

23

24

11

11

144

55

12 9

H H H MeV

H+ H He + MeV

He+ He He+ H+ H MeV

12

e Q

Q

Q

.

.

.

Cykl p-p

Energia słoneczna

Synteza 1 kg wodoru daje 7.1 grama masy zamienionej na energię: E = mc2 = 0.0071 kg x (3x108 m/s)2 = 6.4x1014 J Jasność Słońca 3.83x1026 W, W każdej sekundzie 675 milionów ton H jest

zamieniane na 653 milionów ton He z równoczesną zamianą około 22 milionów ton materii na energię.

Słońce jest najważniejszym źródłem energii na Ziemi: do powierzchni atmosfery w południe na równiku dociera moc równa stałej słonecznej P=1,37 kW/m2. Wartość tej mocy przyjęło się oznaczać jako AM (air mass) 0. Energia promieniowania słonecznego jest częściowo absorbowana przez atmosferę, tak więc do powierzchni dociera ok. 73 % (A.M. 1).

Na naszej szerokości geograficznej za standard przyjmuje się wartość mocy odpowiadającej ok. AM 1.5 równą 800 W/m2. Wydajności ogniw słonecznych są podawane właśnie dla tej standardowej mocy promieniowania. Na obszarze Polski całkowita wartość energii słonecznej docierającej średnio w ciągu roku wynosi ok. 1000 kWh/m2. Zapotrzebowanie na energię elektryczną przeciętnego gospodarstwa domowego w Polsce wynosi ok. 2 150 kWh

AMX=AM1/cos φ

•AM - ilość masy powietrza, przez którą przechodzi światło

•AMO - stała słoneczna 1.37 KW/m2

Promieniowanie słoneczne

Oprócz całkowitej mocy, ważnym parametrem promieniowania słonecznego, który trzebauwzględniać projektując urządzenie do jego wykorzystywania, jest rozkład spektralny.Maksimum tego rozkładu znajduje się dla długości fali λ = 550 nm, ok. 90% fotonów zawiera się w obszarze energii odpowiadającym długościom fali pomiędzy 250 a 1540 nm, a sam rozkład dosyć dobrze można przybliżyć rozkładem promieniowania Plancka ciała doskonale czarnego w T=5520 K.

Bateria słoneczna - dlaczego jest to atrakcyjne źródło energii?

• Nie wymaga zasilania – nie konsumuje paliwa

• Nie degraduje środowiska

• Posiada wysoki wskaźnik mocy do wagi

Bateria słonecznaUrządzenie, które zamienia energię słoneczną w energię elektryczną.

Jest podobne do baterii, bo dostarcza mocy prądu stałego.

Różni się od baterii, bo napięcie które wytwarza zależy od oporności obciążenia.

0P I V

Promieniowanie słoneczne

EB

fala

strumień fotonów

Światło widzialne – długość fali 0.38m < 0.76m

Historia• 1839 – efekt PV zaobserwowany przez Becquerela. • 1870s – fotoogniwo selenowe 2% - Hertz. • 1905 – wyjaśnienie zewnętrznego efektu

fotoelektrycznego przez A. Einsteina. • 1930s – pierwszy miernik światła (fotoogniwo na

bazie tlenku miedzi bądź selenu); zastosowanie w fotografice

• 1954 – fotoogniwo krzemowe (4%) - Bell Laboratories

• 1958 – fotoogniwo w kosmosie (satelita U.S. Vanguard).

Półprzewodniki - elektrony i dziuryW półprzewodnikach występuje absorpcja światła, gdy energia fotonu jest większa od przerwy wzbronionej półprzewodnika

Absorpcja światła w półprzewodnikach

Absorpcja światła w półprzewodniku (CdS)

Występuje, gdy energia fotonu jest większa od przerwy wzbronionej półprzewodnika

+ +

+

++

-

-

-

--

A

Złącze p-ndioda półprzewodnikowa

Charakterystyka I-V - nieliniowa

V

I

Polaryzacja w kier. przewodzenia

Polaryzacja zaporowa

np

+ +

+

+

-

-

-

--

+

+

+

-

--

AA

++

++

-

-

-

-

-

+

-

+

Bateria – to też złącze p-n

• Jak to działa?– jest to złącze p-n– światło jest absorbowane dla – tworzą się pary elektron-dziura,

które są separowane przez pole w złączu i transportowane przez złącze

gh E

Efekt fotowoltaiczny

Tak nazywa się efekt pojawiania się prądu/napięcia w oświetlonym złączu p-n - baterii słonecznej

Bateria słoneczna– gdy powstaje złącze p-n, dziury z

obszaru p dyfundują do obszaru typu n, elektrony z n do p;

– powstaje pole elektryczne; – to pole powoduje, że prąd łatwo

płynie w jednym kierunku a przepływ w drugim kierunku jest utrudniony;

– to pole również separuje elektrony i dziury, które zostały wykreowane przez zaabsorbowane światło.

– dzięki tej separacji można uzyskać moc elektryczną.

P NUjemne

elektrony + dodatnio

naładowane nieruchome

donory

Dodatnie dziury

+ujemnie naładowane nieruchome akceptory

+-

Tylko naładowane donory/akceptory

(obszar zubożony)

elektrony

dziury

P NE

Światło jest absorbowane, tworzą się pary elektron-dziura, które są separowane przez pole w złączu i transportowane przez złącze –gdy złącze jest zwarte - płynie prąd zwarcia, Isc.

Efekt fotowoltaiczny

ghf E

-

EC

EV

EC

EV

F

0

hf

ID (A)

VD (V)

Isc

Isc = q Nph(Eg)~

Złącze rozwarte

)

ID (A)

VD (V)

EC

EV

EC

EV

qVbi

qVOC Voc

Gdy jest rozwarte pojawia się fotonapięcie, Voc. Temu napięciu towarzyszy prąd:

Ten prąd równoważy w rozwartym oświetlonym złączu p-n maksymalny prąd fotogeneracji, czyli Isc:

Id = Io [exp(eVoc /kT)-1]

Isc – Id = 0

Złącze rozwarte

ln( 1) lnsc scoc

o o

I IkT kTV

q I q I

Isc = Id = Io [exp(eVoc /kT)-1]

Po przekształceniu:

Ponieważ Isc to

Charakterystyka I-V

Światło generuje parę elektron-dziuraPole elektryczne porusza nośniki: elektrony w stronę n a dziury w stronę pZatem przez opornik płynie prąd wsteczny IL

Ten prąd powoduje pojawienie sią spadku napięcia V na oporze RL .Napięcie V polaryzuje złącze w kierunku przewodzenia: pojawia się więc prąd IF

Całkowity prąd:

Bateria obciążona oporem RL

Parametry

m m

sc oc

I VFF

I V

Im i Vm – prąd i napięcie odpowiadające punktowi mocy maksymalnej, Isc i Voc – prąd zwarcia i napięcie rozwarcia

W IV ćwiartce charakterystyki jest generowana moc:

sc ocI VFF

P

Współczynnik wypełnienia

Sprawność

Oporność szeregowa

Rzeczywista charakterystyka I – V baterii słonecznej. Rs – oporność szeregowa.

Oporność upływu

Wpływ oporności upływu Rsh na charakterystykę I-V baterii słonecznej

Rzeczywista charakterystyka I – V

( ) ( )

21 2( 1) ( 1)

s sq V IR q V IRskT kT

sc s ssh

V IRI I I e I e

R

(0)( ) ln( )g

ocsc

E kT BTV T

q q I

40

1 – termalizacja 2 i 3 - straty na złączu i na kontaktach4 - straty na rekombinację

Straty sprawności w ogniwach

1

( )100%ph gcbg

pb

N EAE

A E

Nph jest liczbą fotonów o energii równej Eg .

2,3oc

g

eV

E

Straty sprawności w ogniwach

1 - termalizacja

2 i 3 - straty na złączu i na kontaktach

4m m

sc oc

I UFF

I V

4 - straty na rekombinację

1 2,3 4

Fotoefekt

zielona dioda świecąca jest jednocześnie fotodiodą czułą na światło zielone (lub mające większą energię – niebieskie i fioletowe)

Krzem

Średnica 300 mm, długość 1.5 m (bez stożkowych zakończeń) i waga 275 kg.

• polikrystaliczny

• monokrystaliczny

Ogniwa I generacji: krzem krystaliczny i polikrystaliczny

• za:– Wysoka sprawność (14-25%)– Opanowana technologia – Stabilny

• przeciw:– Droga produkcja– Niski współczynnik absorpcji– Potrzeba dużej ilości drogiego

surowca wysokiej jakości

(ok. 0.25mm aby zaabsorbować

większość światła)

Współczynnik absorpcji w funkcji długości fali dla krzemu krystalicznego i amorficznego i innych materiałów stosowanych na baterie słoneczne.

Materiały stosowane na ogniwa

Baterie słoneczne I generacji• Krzem monokrystaliczny

Warstwy antyrefleksyjne z tlenku krzemu odbijają więcej światła ultrafioletowego i niebieskiego niż czerwonego, dlatego mają niebieskie zabarwienie. Jeśli warstwa antyrefleksyjna jest wykonana z azotku krzemu,może mieć inną barwę.

Ogniwo krzemowe na złączu p-n. Górny rysunek – widok z góry; dolny – przekrój poprzeczny przez złącze.

Krystalicznykrzem

Amorficzny krzem

Ogniwa II generacji: krzem amorficzny

za:• Duży współczynnik absorpcji (nie

trzeba dużej ilości materiału)• Opanowana technologia• Łatwo zintegrować z budynkiem• Doskonały pod względem

ekologicznym• Tańszy od szkła, metalu lub

plastiku, na którym jest osadzany

przeciw:• Niskie sprawności 7-10%• Niestabilny – ulega degradacji pod

wpływem światła

Ogniwa II generacji:ogniwa cienkowarstwowe

• Krzem amorficzny• Ogniwa tandemowe na krzemie amorficznym• CIGS (CuInGaSe2) lub CIS (CuInS)• CdTe

Rekord wydajności dla ogniwana podłożu polimerowym:20.4% - 01.2013

Ogniwo II generacji CdTe/CdS

• CdTe : Eg =1.5 eV; współczynnik absorpcji 10x większy niż dla Si• CdS : Eg=2.5 eV; „okno”

Ograniczenia :

Zła jakość kontaktu do p-CdTe (~ 0.1 cm2)

„Odwrócone” ogniwo cienkowarstwowe

• p-diament (Eg= 5.5 eV) – „okno”

• n-CdTe layer jako warstwa absorbcyjna

III generacja• Ogniwa wielozłączowe• Ogniwa polimerowe i organiczne (niska

wydajność – 5%)• Na nanorurkach węglowych (b. duża

powierzchnia)• Z kropkami kwantowymi• Na gorących nośnikach•

Widmo wykorzystywane przez ogniwo Si

Ogniwo wielozłączowesprawność > 40%!

III generacja -ogniwa DSSC

• Roztwór TiO2 (półprzewodnik) jest nakładany na szkło

• Warstwa jest wygrzewana aby utworzyć pory

• Całość jest zanurzana w elektrolicie zawierającym fotoczuły barwnik (np. pochodna chlorofilu)

Kropla elektrolitu I- jest wpuszczana w pory warstwy TiO2, elektrolit dyfunduje. Barwnik jest zaadsorbowany przez nanocząstkę TiO2. Na wierzchu nakładana jest platynowa elektroda zliczająca

Ewolucja rekordowych sprawności

PaneleZ reguły na pojedynczym ogniwie napięcie rozwarcia nieznacznie przekracza 0,5V i 2W mocy, dlatego aby uzyskać bardziej użyteczne napięcie i większą moc ogniwa są łączone. Z połączenia od kilku do kilkunastu, a czasem nawet kilkudziesięciu ogniw uzyskujemy moduł (panel), którego napięcie wynosi 12V, a moc nie przekracza 80W. Coraz częściej spotyka się również panele o napięciu 24V i więcej, których moc może przekraczać nawet 200W (zdjęcie po prawej).

Jak podnieść sprawność ogniw?

Koncentratory światła Systemy śledzące

Ogniwa wielopasmowe

• Środkowe pasmo tworzone jest przez poziomy domieszkowe.

• W procesie 3 biorą udział fonony• Graniczna sprawność teoretyczna - 86.8%

Ogniwa wyżłobione

• Większa powierzchnia złącza

• Wyższa sprawność( > 20%)

Teksturyzacja powierzchni

• Obecnie fotoogniwa wykorzystuje się do produkcji energii elektrycznej na coraz większą skalę. Na przykład, fotowoltaiczna elektrownia słoneczna w Beneixama (Hiszpania) ma moc 20 MW. Składa się ze 100 000 paneli z ogniwami z polikrystalicznego krzemu o łącznej powierzchni 50 ha.

• Aktualnie w Arizonie, w Gila Bend planowana jest elektrownia o mocy 280 MW (ok. 1000 ha).

Elektrownie słoneczne dziś

Elektrownia słoneczna w Indiach

Alcatraz

ZastosowaniaNa Wyspach Kanaryjskich i w południowej Hiszpanii woda pitna jest uzyskiwana w procesie odsalania wody morskiej (odwrócona osmoza). Urządzenia odsalające pracują zasilane bateriami słonecznymi

Latarki LED zasilane bateriami ładowanymi w ciągu dnia przy pomocy małego modułu fotowoltaicznego o mocy ~5W. Czas pracy 3h-8h

Laptop

Solarny samochód i parking

Baza Nellis Air Force USA; panele śledzą trajektorię Słońca

Dziękuję za uwagę