Napelemes akkumulátor

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. július 31-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 1 szerkesztés szükséges .

Napelem , napelem - fotoelektromos  átalakítók ( fotocellák ) kombinációja - félvezető eszközök, amelyek közvetlenül alakítják át a napenergiát egyenárammá , ellentétben a hőátadó anyagot felmelegítő napkollektorokkal .

Különféle eszközök, amelyek lehetővé teszik a napsugárzás hő- és elektromos energiává alakítását, a napenergia kutatásának tárgyát képezik ( a görög helios Ήλιος , Helios - „Nap”) szóból. A fotovoltaikus cellák és napkollektorok gyártása különböző irányokba fejlődik. A napelemek különböző méretűek, a számológépekbe építetttől az autók és épületek tetején való elhelyezésig.

Általában egy napelemes erőmű egy vagy több napelemből, inverterből és bizonyos esetekben akkumulátorból és napelem-követőből áll.

Történelem

1842- ben Alexandre Edmond Becquerel felfedezte a fény elektromos árammá alakításának hatását. Charles Fritts szelént kezdett használni a fény elektromos árammá alakítására .  A napelemek első prototípusait Giacomo Luigi Chamician olasz fotokémikus alkotta meg .

1948. április 25- én a Bell Laboratories szakemberei bejelentették az első szilícium alapú napelemek létrehozását , amelyek elektromos áramot termelnek. Ezt a felfedezést a cég három alkalmazottja – Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin és Gerald Pearson – tette. Napelemük hatásfoka 6% volt [1] . A sajtótájékoztatón az akkumulátor sikeresen szolgált egy „óriáskerék” játék és egy rádióadó áramforrásaként [2] . Már 10 évvel később, 1958. március 17- én napelemekkel felbocsátottak egy műholdat az USA-ban - Avangard-1 . 1958. május 15-én a Szovjetunió is felbocsátott egy műholdat napelemekkel - Sputnik-3 .

A napelemek típusai

Háromféle napelem. Az ilyen típusú napelemek mindegyike egyedi módon készül, és más az esztétikailag is.

  1. monokristályos
  2. Polikristályos
  3. Vékonyrétegű napelemek

Használat

Hordozható elektronika

Különféle fogyasztói elektronikai cikkek - számológépek, lejátszók, zseblámpák stb. - áramellátása és/vagy akkumulátorok újratöltése.

Elektromos autók

Elektromos járművek töltésére .

Repülés

Az egyik projekt egy olyan repülőgép létrehozására, amely csak napenergiát használ, a Solar Impulse .

Épületek energiaellátása

A napkollektorokhoz hasonlóan a nagy méretű napelemeket széles körben használják a trópusi és szubtrópusi területeken, ahol sok napsütéses nap van. Különösen népszerű a mediterrán országokban , ahol a házak tetejére helyezik őket.

Az új spanyol házak 2007 márciusa óta napenergiával működő vízmelegítőkkel vannak felszerelve, hogy melegvíz-szükségletük 30-70%-át biztosítsák, az otthon helyétől és a várható vízfogyasztástól függően. A nem lakóépületeknek (bevásárlóközpontok, kórházak stb.) fotovoltaikus berendezéssel kell rendelkezniük [3] .

Jelenleg a napelemekre való átállás sok kritikát vált ki az emberek körében. Ennek oka az áramárak emelkedése, a természeti táj zsúfoltsága. A napelemekre való átállás ellenzői kritizálják az ilyen átállást, mivel a napelemeket és szélerőműveket telepítő házak és földterületek tulajdonosai állami támogatásban részesülnek, míg az átlagos bérlők nem. Ezzel kapcsolatban a Német Szövetségi Gazdasági Minisztérium törvényjavaslatot dolgozott ki, amely lehetővé teszi, hogy a közeljövőben kedvezményeket vezessenek be a napelemes berendezésekből vagy blokkos hőerőművekből származó energiával ellátott házakban élő bérlők számára. Az alternatív energiaforrásokat használó házak tulajdonosainak folyósított támogatások mellett a házakban lakó bérlőknek is támogatást terveznek fizetni. [négy]

Települések energiaellátása

Útfelület

Napelemek útburkolatként :

Használat az űrben

A napelemek az egyik fő módja az elektromos energia beszerzésének az űrhajókon : hosszú ideig működnek anélkül, hogy bármilyen anyagot fogyasztanának, ugyanakkor környezetbarátak, ellentétben a nukleáris és radioizotópos energiaforrásokkal.

Ha azonban a Naptól nagy távolságra repülünk, használatuk problémássá válik, mivel a napenergia fluxusa fordítottan arányos a Naptól való távolság négyzetével. A Marson a napelemek teljesítménye fele a földinek, a Naprendszer óriásainak távoli bolygóinak közelében pedig annyira lecsökken a teljesítmény, hogy szinte teljesen használhatatlanná teszik a napelemeket. Amikor a belső bolygókra , a Vénuszra és a Merkúrra repül, a napelemek ereje ezzel szemben jelentősen megnő: a Vénusz régióban 2-szeresére, a Merkúr régióban pedig 6-szorosára.

Orvosi felhasználás

Dél-koreai tudósok szubkután napelemet fejlesztettek ki. Miniatűr energiaforrást lehet beültetni egy személy bőre alá, hogy biztosítsák a testbe ültetett eszközök, például a pacemaker zavartalan működését. Egy ilyen akkumulátor 15-ször vékonyabb, mint egy hajszál, és akkor is újratölthető, ha fényvédő krémmel kenik a bőrt [8] .

Fotocellák és modulok hatékonysága

A napsugárzás fluxusának teljesítménye a Föld légkörének bejáratánál (AM0) körülbelül 1366 watt [9] négyzetméterenként (lásd még: AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D [10] [11] ) . Ugyanakkor a napsugárzás fajlagos teljesítménye Európában erősen felhős időben még nappal is 100 W/m² alatt lehet [12] . . A kereskedelmi forgalomban elterjedt napelemek segítségével ezt az energiát 9-24%-os hatásfokkal lehet elektromos árammá alakítani. . 2020-ban a napelemek ára a panel típusától és teljesítményétől függően 0,15-0,33 USD/W-ra esett vissza [13] . 2019-ben az ipari napelemes állomások által termelt villamos energia ára elérte a 0,068 USD/kWh-t [14] . 2021-ben a napelemek nagykereskedelmi ára 0,07-0,08 USD/W-ra csökkent [15] .

A fotocellák és modulok típusonként fel vannak osztva: monokristályos, polikristályos, amorf (rugalmas, film).

2009-ben a Spectrolab (a Boeing leányvállalata) 41,6%-os hatásfokú napelemet mutatott be [16] . 2011 januárjában ennek a cégnek a napelemei várhatóan 39%-os hatékonysággal jelennek meg a piacon [17] . 2011-ben a kaliforniai székhelyű Solar Junction 43,5%-os hatékonyságot ért el egy 5,5x5,5 mm-es fotocella esetében, ami 1,2%-kal magasabb a korábbi rekordnál [18] .

2012-ben a Morgan Solar megalkotta a Sun Simba rendszert polimetil-metakrilátból (plexiüveg), germániumból és gallium-arzenidből úgy, hogy egy koncentrátort kombinált egy panellel, amelyre fotocellát szereltek fel. A rendszer hatásfoka a panel álló helyzetében 26-30% volt (az évszaktól és a Nap elhelyezkedési szögétől függően), ami kétszerese a kristályos szilícium alapú fotocellák gyakorlati hatékonyságának [19] .

2013-ban a Sharp egy háromrétegű, 4 × 4 mm-es indium-gallium-arzenid alapú fotocellát hozott létre 44,4%-os hatásfokkal [20] , és a Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems szakértői csoportja, a Soitec, a CEA-Leti és a Helmholtzról elnevezett Berlini Központban Fresnel lencsék felhasználásával 44,7%-os hatásfokkal készítettek fotocellát , ami felülmúlja saját 43,6%-os teljesítményüket [21]. . 2014-ben a Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems napelemeket készített, amelyekben a fénynek egy nagyon kisméretű fotocellára fókuszálása miatt a hatásfok 46% volt [22].[23] .

2014-ben spanyol tudósok kifejlesztettek egy szilícium fotovoltaikus cellát, amely képes a Nap infravörös sugárzását elektromos árammá alakítani [24] .

Ígéretes irány a nanoantennákon alapuló fotocellák létrehozása, amelyek egy kisméretű (200-300 nm nagyságrendű) antennában fénnyel (azaz körülbelül 500 THz frekvenciájú elektromágneses sugárzással) indukált áramok közvetlen egyenirányításán működnek. . A nanoantennák gyártása nem igényel drága nyersanyagokat, és potenciális hatásfoka akár 85% is lehet [25] [26] .

2018-ban a flexo-fotovoltaikus hatás felfedezésével a fotovoltaikus cellák hatékonyságának növelésének lehetősége is felmerült [27] . A forró hordozók (elektronok) élettartamának meghosszabbodása miatt hatékonyságuk elméleti határa egyszerre 34-ről 66 százalékra emelkedett [28] .

2019-ben orosz tudósok a Szkolkovói Tudományos és Technológiai Intézetből (Skoltech) , Szervetlen Kémiai Intézetből. A.V. Nikolaev , az Orosz Tudományos Akadémia (SB RAS) Szibériai Kirendeltségétől és a RAS Kémiai Fizikai Probléma Intézetétől egy alapvetően új félvezető anyagot kapott a napelemekhez, amely mentes a legtöbb ma használt anyagok hiányosságától [29] . Orosz kutatók egy csoportja a Journal of Materials Chemistry A [30] folyóiratban tette közzé munkájuk eredményét egy általuk napelemekhez kifejlesztett új félvezető anyag - egy komplex polimer bizmut-jodid ({[Bi 3 ) I 10 ]} és {[BiI 4 ]} ), szerkezetileg hasonlóak a perovszkit ásványhoz (természetes kalcium-titanát), amelyek a fény elektromos árammá alakításának rekordarányát mutatták. [30] [31] Ugyanez a tudóscsoport létrehozta a második hasonló félvezetőt is, amely összetett antimon-bromid alapú, perovszkit-szerű szerkezettel. [32] [33]

A fotocellák és modulok maximális hatékonysági értékei
laboratóriumi körülmények között [34]
Típusú fotoelektromos konverziós tényező, %
Szilícium 24.7
Si (kristályos)
Si (polikristályos)
Si (vékony film transzfer)
Si (vékony film almodul) 10.4
A III-V
GaAs (kristályos) 25.1
GaAs (vékony film) 24.5
GaAs (polikristályos) 18.2
InP (kristályos) 21.9
Kalkogenidek vékony filmjei
CIGS (fotocella) 19.9
CIGS (almodul) 16.6
CdTe (fotocella) 16.5
Amorf/nanokristályos szilícium
Si (amorf) 9.5
Si (nanokristályos) 10.1
Fotokémiai
Szerves színezékeken alapul 10.4
Szerves színezékeken alapul (almodul) 7.9
organikus
szerves polimer 5.15
Többrétegű
GaInP/GaAs/Ge 32.0
GaInP/GaAs 30.3
GaAs/CIS (vékony film) 25.8
a-Si/mc-Si (vékony almodul) 11.7

A napelemek hatékonyságát befolyásoló tényezők

A fotocellák szerkezetének sajátosságai a hőmérséklet növekedésével a panelek teljesítményének csökkenését okozzák.

A panel részleges elsötétítése a kimeneti feszültség csökkenését okozza a megvilágítatlan elem veszteségei miatt, amely parazita terhelésként kezd működni. Ez a hátrány kiküszöbölhető, ha a panel minden fotocellájára egy bypass -t szerelnek fel. Felhős időben, közvetlen napfény hiányában a sugárzás koncentrálására lencséket használó panelek rendkívül hatástalanná válnak, mivel a lencse hatása megszűnik.

A fotovoltaikus panel működési jellemzőiből látható, hogy a legnagyobb hatásfok eléréséhez a terhelési ellenállás helyes megválasztása szükséges. Ennek érdekében a fotovoltaikus paneleket nem közvetlenül a terhelésre csatlakoztatják, hanem egy fotovoltaikus rendszervezérlő vezérlőt használnak, amely biztosítja a panelek optimális működését.

A napenergia hátrányai

A naperőműveket kritizálják a magas költségek, valamint a komplex ólomhalogenidek alacsony stabilitása és e vegyületek toxicitása miatt. Aktívan fejlesztik például a bizmut [30] és antimon alapú ólommentes félvezetőket napelemekhez.

Alacsony hatásfokuk miatt, amely legfeljebb 20 százalékot ér el, a napelemek nagyon felforrósodnak. A napfény energiájának fennmaradó 80 százaléka 55°C körüli átlaghőmérsékletre melegíti fel a napelemeket. A fotovoltaikus cella hőmérsékletének 1 °C-kal történő növelésével a hatásfoka 0,5%-kal csökken. A hűtőrendszerek aktív elemei (ventilátorok vagy szivattyúk), amelyek a hűtőközeget szivattyúzzák, jelentős mennyiségű energiát fogyasztanak, időszakos karbantartást igényelnek, és csökkentik a teljes rendszer megbízhatóságát. A passzív hűtőrendszerek teljesítménye nagyon alacsony, és nem képesek megbirkózni a napelemek hűtésével [36] .

Napelem modulok gyártása

Nagyon gyakran egyetlen fotocella nem termel elegendő energiát. Ezért bizonyos számú fotovoltaikus cellát úgynevezett fotovoltaikus napelem modulokká egyesítenek, és az üveglapok közé erősítést szerelnek. Ez a build teljesen automatizálható [37] .

Top 6 gyártó

A fotovoltaikus cellák legnagyobb gyártói (teljes teljesítmény alapján) 2020-ban [38] . [39]

  1. naperő
  2. LONGi
  3. Jinko Solar
  4. Trina Solar
  5. JA Solar
  6. Kanadai napelem

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Perlin, John. A szilícium napelemek 50 évesek  . Nemzeti Megújuló Energia Laboratórium (NREL) (2004. augusztus).
  2. ↑ Ez a hónap a fizika  történetében . www.aps.org . Letöltve: 2021. március 13.
  3. ↑ Spanyolország megköveteli az új épületek napenergiát
  4. ↑ A napelemes házak bérlői támogatást kapnak , Germania.one .
  5. ↑ Franciaország 1000 km utat épít napelemekkel
  6. ↑ Franciaország megnyitja az első napelemes utat , a brit.one -t .
  7. ↑ Autonóm napelemes közlekedési lámpa - vásárlás Moszkvában, ár . lumenstar.ru Letöltve: 2019. november 5.
  8. ↑ TASS: Tudomány – Dél-koreai tudósok létrehoztak egy szubkután napelemet
  9. ↑ "Szoláris spektrum: nulla légtömeg"
  10. ↑ "Solar Photovoltaic Technologies" (nem elérhető link) . Hozzáférés dátuma: 2012. február 7. Az eredetiből archiválva : 2012. május 26. 
  11. ↑ "Referencia napsugárzás spektrális besugárzása: légtömeg 1,5"
  12. ↑ Anyagok alapján: www.ecomuseum.kz  (elérhetetlen link)
  13. ↑ p.v. magazin. Modul   árindex ? . p.v.magazine International . Letöltve: 2021. február 22.
  14. ↑ Megújuló energiatermelési költségek  2019 -ben . /publications/2020/Jun/Renewable-Power-Costs-in-2019 . Letöltve: 2021. február 22.
  15. ↑ 5 bb polikristályos bors 156,75 mm 157 mm Mcce nagy hatékonyságú PID rezisztens Tuv tanúsítvány Half Cut Poly Price Solar Cells - Vásároljon 5 bb polikristályos napelemet, 156 5 bb napelemes polikristályos, félig vágott szögletes napelemes termék . www.alibaba.com . Hozzáférés időpontja: 2021. április 23.
  16. ↑ Az ausztrálok új napelem-hatékonysági rekordot döntöttek (hozzáférhetetlen link) . membrán . Membrana (2009. augusztus 28.). Letöltve: 2011. március 6. Az eredetiből archiválva : 2012. június 25. 
  17. ↑ A napelemek rekordhatékonysággal lépnek a piacra . membrán . Membrana (2010. november 25.). Letöltve: 2011. március 6.
  18. ↑ A Solar Junction megdöntötte a koncentrált szoláris világrekordot 43,5%-os hatékonysággal
  19. ↑ Hogyan koncentráljuk a napfényt koncentrátorok nélkül
  20. ↑ A Sharp kifejlesztett egy koncentráló fotocellát, amelynek hatékonysága 44,4% (hozzáférhetetlen kapcsolat) . Letöltve: 2013. július 11. Az eredetiből archiválva : 2014. március 30. 
  21. ↑ Új fotocella hatékonysági rekord: 44,7%
  22. ↑ A FRUNHOFER SOLAR ENERGY SYSTEMS INTÉZET TUDÓSAI 46%-OS HATÉKONYSÁGÚ NAPELEMEKET FEJLESZTETTEK KI, ÉS EZ ÚJ VILÁGREkord
  23. ↑ Új világrekord a napelemek hatékonyságában 46%-kal – Fraunhofer ISE
  24. ↑ Teljesen szilícium gömb alakú Mie-rezonátor fotodióda spektrális válaszjel az infravörös tartományban
  25. ↑ B. Berland. A fotocellák túlmutatnak a horizonton : Naptömbök  optikai egyenes tengelyei . Az Egyesült Államok Nemzeti Megújuló Energia Laboratóriuma (2003). Hozzáférés időpontja: 2015. április 4.
  26. ↑ Krasnok A E, Maksimov I S, Denisyuk A I, Belov P A, Miroshnichenko A E, Simovsky K R, Kivshar Yu S. Optical nanoantennas  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - 2013. - T. 183 , 6. sz . – S. 561–589 . - doi : 10.3367/UFNr.0183.201306a.0561 .
  27. ↑ Alekszandr Dubov. A fizikusok további energiát préseltek ki a napelemekből . nplus1.ru. Letöltve: 2018. április 25.
  28. ↑ Alekszandr Dubov. A vegyészek meghosszabbították a forró elektronok élettartamát perovszkit akkumulátorokban . nplus1.ru. Letöltve: 2018. június 20.
  29. ↑ Sofia Alimova. Orosz tudósok új anyagot fejlesztettek ki napelemekhez . Népi hírek Oroszországról. Hozzáférés időpontja: 2019. május 14.
  30. ↑ 1 2 3 Pavel A. Troshin, Vladimir P. Fedin, Maxim N. Sokolov, Keith J. Stevenson, Nadezhda N. Dremova. Polimer jódizmutátok {[Bi3I10 } és {[BiI4]} N-heterociklusos kationokkal: ígéretes perovszkitszerű fotoaktív anyagok elektronikai eszközökhöz]  //  Journal of Materials Chemistry A. - 2019-03-12. — Vol. 7 , iss. 11 . — P. 5957–5966 . — ISSN 2050-7496 . - doi : 10.1039/C8TA09204D .
  31. ↑ Oroszország új félvezetőt fejlesztett ki napelemekhez. Nem mérgező és nagyon hatékony! - Hitech . hightech.fm. Hozzáférés időpontja: 2019. május 14.
  32. ↑ Oroszország új félvezető anyagot hozott létre a napelemekhez . TASS. Hozzáférés időpontja: 2019. május 14.
  33. ↑ A Skoltech tudósai új félvezető anyagokat fejlesztenek ki az elektronika számára . naked-science.ru. Hozzáférés időpontja: 2019. május 14.
  34. ↑ A fotocellák és modulok maximális hatékonysági értékei laboratóriumi körülmények között (elérhetetlen link) . Nitol Solar Limited. Archiválva az eredetiből 2008. július 17-én. 
  35. ↑ Lapaeva Olga Fedorovna. A gazdaság energiaszektorának átalakítása az energiatakarékos technológiákra és a megújuló energiaforrásokra való átállásban  // Bulletin of the Orenburg State University. - 2010. - Kiadás. 13 (119) .
  36. ↑ Szondy Dávid. A stanfordi kutatók önhűtő napelemeket fejlesztenek ki.  (angol) . gizmag.com (2014. július 25.). Letöltve: 2016. június 6.
  37. ↑ Fotovoltaikus napelem modul gyártása . Letöltve: 2011. augusztus 14. Az eredetiből archiválva : 2012. június 25.
  38. ↑ Thomas Edison. A Tier-1 napelemek legújabb listája, 2020 (Q1, Q2 frissítés). napelemes felülvizsgálat.  (angol)  ? . Solar Review (2020. május 22.). Hozzáférés időpontja: 2021. február 20.
  39. ↑ A legjobb  napenergia- vállalatok  ? (2021. július 6.). Hozzáférés időpontja: 2021. október 1.

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák