Transcript ppt
Bateria słoneczna
Fotodioda vs bateria słoneczna
• -dla fotodiody interesujący jest tylko zakres długości fal l 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.
Ri =
Parametry użytkowe fotodiody
Wydajność kwantowa fotodiody:
Czułość prądowa fotodiody:
Czułość napięciowa fotodiody:
I p hc
q Pl
I ql
Ri
P hc
RV Ri R D
lqRD
hc
Przy pracy fotodiody bez polaryzacji zewnętrznej dominuje szum Johnsona –
Nyquista i detekcyjność wyraża się wzorem:
D*l
lq
2 hc
R A
RD A
V
kT
2 kTR D
Fotodioda p-i-n
•
Fotodioda M-S.
Rodzaje fotodiod
• Fotodiody na heterozłączach.
•
• Fotodiody lawinowe
Kopaliny – konwencjonalne źródła energii
Zasoby kopalin (optymistyczne prognozy) (Oil & Gas
Journal, World Oil) przy obecnym poziomie konsumpcji
energii, wystarczą na:
Węgiel - 417 lat
Olej - 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.
Ewolucja światowych zasobów oleju według
teorii Hubberta
Odnawialne źródła energii
Przewiduje się, że odnawialne źródła energii będą
stanowić istotny składnik zasobów energetycznych w
okresie najbliższych 25 lat
Główne przyczyny:
Rosnące zapotrzebowanie energetyczne
Spadek produkcji paliw konwencjonalnych
Spadek cen odnawialnych źródeł energii
Ekologia
Przyszłość odnawialnych źródeł energii
200
2060
2040
2020
1999
100
Geo
Słońce
wiatr
woda
biomasa
e. jądrowa
gaz
ropa
0
węgiel
ExaJ
300
Źródło: Royal Dutch Shell Group
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!
Słońce
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
Równowaga hydrostatyczna
Siła ciśnienia termicznego skierowana na
zewnątrz jest równoważona przez siłę
grawitacji
Synteza termojądrowa na Słońcu
Cykl p-p
1
1
2
H
H
H
e
1
1
1
2
1
3
H+
H
1
1
2 He +
3
3
4
1
1
He+
He
He+
H+
2
2
2
1
1H
Q 144
. MeV
Q 55
. MeV
Q 12.9 MeV
Energia słoneczna
Synteza 1 kg wodoru daje 7.1 grama masy
zamienionej na energię:
2
8
2
14
E = mc = 0.0071 kg x (3x10 m/s) = 6.4x10 J
26
Jasność Słońca 3.83x10 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.
Promieniowanie słoneczne
•AM - ilość masy powietrza, przez którą
przechodzi światło
•AMO - stała słoneczna 1.37 KW/m2
AMX=AM1/cos φ
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
Oprócz całkowitej mocy, ważnym parametrem promieniowania słonecznego, który trzeba
uwzględniać 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 słoneczna
Urządzenie, które zamienia energię
słoneczną w energię elektryczną.
P I V 0
Jest podobne do baterii, bo dostarcza
mocy prądu stałego.
Różni się od baterii, bo napięcie które
wytwarza zależy od oporności obciążenia.
Promieniowanie słoneczne
Światło widzialne – długość fali 0.38mm < l 0.76mm
fala
B
E
strumień fotonów
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 dziury
W półprzewodnikach występuje absorpcja światła, gdy energia fotonu jest większa
od przerwy wzbronionej półprzewodnika
Absorpcja światła w
półprzewodnikach
Występuje, gdy energia fotonu jest większa od przerwy wzbronionej półprzewodnika
Absorpcja światła w półprzewodniku (CdS)
Złącze p-n
dioda półprzewodnikowa
Charakterystyka I-V - nieliniowa
Polaryzacja w kier.
przewodzenia
n
+
I
+
+
+
+
+
+
+
+
+ + + + +
-- - -
p
A
Polaryzacja
zaporowa
V
-
--
-
Bateria – to też złącze p-n
• Jak to działa?
– jest to złącze p-n
– światło jest absorbowane dla
h Eg
– tworzą się pary elektron-dziura,
które są separowane przez pole w
złączu i transportowane przez
złącze
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
N
Dodatnie
dziury
+ujemnie
naładowane
nieruchome
akceptory
P
dziury
Ujemne
elektrony +
dodatnio
naładowane
nieruchome
donory
N
E
- +
elektrony
Tylko naładowane donory/akceptory
(obszar zubożony)
Efekt fotowoltaiczny
hf Eg
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.
ID (A)
E
C
hf
E
EF
E
C
VD (V)
V
0
E
V
-
Isc
Isc = q Nph(Eg)~ F
)
Złącze rozwarte
EC
ID (A)
EC
qVOC
Voc
VD (V)
EV
qVbi
EV
Gdy jest rozwarte pojawia się fotonapięcie, Voc. Temu napięciu
towarzyszy prąd:
Id = Io [exp(eVoc /kT)-1]
Ten prąd równoważy w rozwartym oświetlonym złączu p-n maksymalny
prąd fotogeneracji, czyli Isc:
Isc – Id = 0
Złącze rozwarte
Isc = Id = Io [exp(eVoc /kT)-1]
Po przekształceniu:
I sc
kT
kT I sc
Voc
ln( 1)
ln
q
Io
q
Io
Ponieważ Isc ~F, to
Charakterystyka I-V
Światło generuje parę elektron-dziura
Pole elektryczne porusza nośniki: elektrony w stronę n a dziury w stronę p
Zatem 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
Współczynnik wypełnienia
I mVm
FF
I scVoc
Sprawność
I scVoc
FF
P
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:
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
I I sc I s1 (e
q (V IRs )
kT
Voc (T )
1) I s 2 (e
Eg (0)
q
q (V IRs )
2 kT
kT
BT
ln(
)
q
I sc
V IRs
1)
Rsh
Straty sprawności w ogniwach
1 – termalizacja
2 i 3 - straty na złączu i na kontaktach
4 - straty na rekombinację
40
Straty sprawności w ogniwach
1 - termalizacja
Acb N ph ( Eg )
1
Eg 100%
Apb
E
Nph jest liczbą fotonów o energii równej Eg .
2 i 3 - straty na złączu i na kontaktach
2,3
eVoc
Eg
4 - straty na rekombinację
I mU m
4 FF
I scVoc
1 2,34
Fotoefekt
zielona dioda świecąca jest jednocześnie fotodiodą czułą na światło zielone
(lub mające większą energię – niebieskie i fioletowe)
Krzem
• polikrystaliczny
• monokrystaliczny
Średnica 300 mm, długość 1.5 m (bez stożkowych zakończeń) i waga 275 kg.
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)
Materiały stosowane na ogniwa
Współczynnik absorpcji w funkcji długości fali dla krzemu krystalicznego i
amorficznego i innych materiałów stosowanych na baterie słoneczne.
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.
Krystaliczny
krzem
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 ogniwa
na 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 Wcm2)
„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 wielozłączowe
sprawność > 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
Panele
Z 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
Elektrownie słoneczne dziś
• 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).
Elektrownia słoneczna w
Indiach
Alcatraz
Zastosowania
Na 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