Сонячна батарея

Сонячна батарея — об'єднання фотоелектричних перетворювачів (фотоелементів) — напівпровідникових пристроїв, що прямо перетворюють сонячну енергію в постійний електричний струм, на відміну від сонячних колекторів, які роблять нагрівання матеріалу — теплоносія.

Дерево з сонячних панелей в Глайсдорфі (Австрія)

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

Зазвичай, до складу сонячної електростанції входить одна або більше сонячна панель, інвертор, і так само в деяких випадках акумулятор і сонячний трекер.

Історія

У 1842 році Олександр Едмон Беккерель відкрив ефект перетворення світла в електрику. Чарльз Фріттс^[en] почав використовувати селен для перетворення світла в електрику. Перші прототипи сонячних батарей були створені італійським фотохіміком Джакомо Луїджі Чамічаном.

25 квітня 1948 року, 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), Дерілом Чапін (Daryl Chapin) і Геральдом Пірсоном (Gerald Pearson). Ефективність їх сонячної батареї склала 6 % . Під час прес-конференції батарея успішно служила джерелом енергії для іграшкового «колеса огляду» і радіопередавача . Вже через 10 років, 17 березня 1958 року, в США був запущений супутник з використанням сонячних батарей — «Авангард-1». 15 травня 1958 року в СРСР також був запущений супутник з використанням сонячних батарей — «Супутник-3».

Використання

Портативна електроніка

Зарядний пристрій

Для забезпечення електрикою і / або підзарядки акумуляторів різної побутової електроніки — калькуляторів, плеєрів, ліхтариків і т. ін.

Електромобілі

На даху автомобіля Prius, 2008

Для підзарядки електромобілів.

Авіація

Одним з проєктів по створенню літака, що використовує виключно енергію сонця, є Solar Impulse.

Енергозабезпечення будівель

Сонячні батареї на даху корівника кібуца Гезер (Ізраїль)

Сонячна батарея на даху будинку

Сонячні батареї великого розміру, як і сонячні колектори, широко використовуються в тропічних і субтропічних регіонах з великою кількістю сонячних днів. Особливо популярні в країнах Середземномор'я, де їх поміщають на дахах будинків.

Нові будинки Іспанії з березня 2007 року обладнані сонячними водонагрівачами, щоб самостійно забезпечувати від 30 % до 70 % потреб у гарячій воді, в залежності від місця розташування будинку та очікуваного споживання води. Нежитлові будівлі (торгові центри, госпіталі і т. д.) повинні мати фотоелектричне обладнання.

В даний час перехід на сонячні батареї викликає багато критики серед людей. Це обумовлено підвищенням цін на електроенергію, захаращення природного ландшафту. Противники переходу на сонячні батареї критикують такий перехід, бо власники будинків і земельних ділянок, на яких встановлені сонячні батареї і вітряні електростанції, отримують субсидії від держави, а звичайні квартиронаймачі — ні. У зв'язку з цим Федеральне міністерство економіки Німеччини розробило законопроєкт який дозволить в найближчому майбутньому ввести пільги для орендарів, які проживають в будинках, які забезпечуються енергією, що надходить від фотовольтаїчних установок або блокових теплових електростанцій. Разом з виплатою субсидій власникам будинків, які використовують альтернативні джерела енергії, планується виплачувати дотації квартиронаймачам в цих будинках.

Енергозабезпечення населених пунктів

Велосипедна доріжка в містечку Кроммені (Нідерланди), створена із сонячних батарей

Дорожне покриття

Сонячні батареї як дорожнє покриття:

• У 2014 році в Нідерландах відкрилася перша в світі велодоріжка з сонячних батарей .
• У 2016 році міністр екології та енергетики Франції Сеголен Руаяль заявила про плани побудувати 1000 км автодоріг з вбудованими ударо і термостійкими сонячними панелями. Передбачається, що 1 км такої дороги зможе забезпечувати електроенергетичні потреби 5000 людей (без урахування опалення).
• У лютому 2017 року в нормандському селі Tourouvre-au-Perche французьким урядом була відкрита дорога з сонячних батарей. Кілометрову ділянку дороги обладнали 2880 сонячними панелями. Таке дорожнє покриття забезпечить електроенергією вуличні ліхтарі села. Панелі щороку вироблятимуть 280 мегават годин електроенергії. Будівництво відрізка дороги обійшлося в 5 мільйонів євро..
• Також використовується для живлення автономних світлофорів на дорогах.

Використання в космосі

Сонячна батарея на МКС

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 їх використання стає проблематичним, бо потік сонячної енергії обернено пропорційний квадрату відстані від Сонця. На Марсі потужність сонячних батарей вдвічі менше ніж на Землі, а біля далеких планет гігантів Сонячної системи потужність падає настільки, що робить сонячні батареї майже повністю марними. При польотах ж до внутрішніх планет, Венери і Меркурію, потужність сонячних батарей навпроти, значно зростає: в районі Венери в 2 рази, а в районі Меркурія в 6 разів.

Використання в медицині

Південнокорейські вчені розробили підшкірну сонячну батарею. Мініатюрне джерело енергії може бути імплантований під шкіру людини з метою безперебійного забезпечення роботи приладів, імплантованих в тіло, наприклад, кардіостимулятора. Така батарея в 15 разів тонше волосини і може заряджатися, якщо навіть на шкіру наноситься сонцезахисний засіб.

Ефективність фотоелементів і модулів

Потужність потоку сонячного випромінювання на вході в атмосферу Землі (AM0), становить близько 1366 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 %. У 2020 році, ціна на сонячні панелі впала до 0,15 — 0,33 дол / Вт, залежно від типу і потужності панелі. У 2019, собівартість електрики, що генерується промисловими сонячними станціями, досягла 0,068 USD за кВт * год. В 2021 році оптова ціна на сонячні елементи знизилася до 0,07 — 0,08 дол/Вт.

Фотоелементи і модулі діляться залежно від типу: монокристалічні, полікристалічні, аморфні (гнучкі, плівкові).

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 4 × 4 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 використовуючий лінзи Френеля фотоелемент з ККД 44,7 %, перевершивши своє власне досягнення в 43,6 % У 2014 році Інститут сонячних енергосистем Фраунгофер створив 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 (тобто електромагнітним випромінюванням частоти близько 500 ТГц). Наноантени не вимагають дорогої сировини для виробництва і мають потенційний ККД до 85 %.

Також, в 2018 році, з відкриттям флексо-фотовольтаїчного ефекту, виявлена можливість збільшення ККД фотоелементів. За рахунок продовження життя гарячих носіїв (електронів) теоретичну межу їх ефективності підняли з 34 відразу до 66 відсотків.

Максимальні значення ефективності фотоелементів і модулів,
досягнуті в лабораторних умовах

Тип	Коефіцієнт фотоелектричного перетворення, %
Кремнієві	24,7
Si (кристалічний)
Si (полікристалічний)
Si (тонкоплівкова передача)
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 органічних 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 вихідної напруги за рахунок втрат в неосвітленому елементі, який починає виступати в ролі паразитного навантаження. Від даного недоліку можна позбутися шляхом установки байпаса на кожен фотоелемент панелі. У хмарну погоду при відсутності прямих сонячних променів вкрай неефективними стають панелі, в яких використовуються лінзи для концентрування випромінювання, так як зникає ефект лінзи.

З робочої характеристики фотоелектричної панелі видно, що для досягнення найбільшої ефективності потрібен 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.

Недоліки сонячної електроенергетики

• Необхідність використання великих площ.
• Сонячна електростанція не працює вночі і недостатньо ефективно працює в вечірніх сутінках, в той час як пік електроспоживання припадає саме на вечірні години.
• Незважаючи на екологічну чистоту отримуваної енергії, самі фотоелементи можуть містити отруйні речовини .

Сонячна електростанції піддаються критиці через високі витрати, а також внаслідок низькою стабільності комплексних галогенідів свинцю і токсичності цих сполук. В даний час ведуться активні розробки безсвинцевих напівпровідників для сонячних батарей, наприклад на основі вісмуту і сурми.

Через свою низьку ефективність, яка в кращому випадку досягає 20 відсотків, сонячні батареї сильно нагріваються. Решта 80 відсотків енергії сонячного світла нагрівають сонячні батареї до середньої температури близько 55 ° C. Зі збільшенням температури фотогальванічного елемента на 1 ° його ефективність падає на 0,5 %. Активні елементи систем охолодження (вентилятори або насоси), які перекачують холодоагент, споживають значну кількість енергії, вимагають періодичного обслуговування і знижують надійність всієї системи. Пасивні системи охолодження мають дуже низьку продуктивність і не можуть впоратися із завданням охолодження сонячних батарей .

Виробництво сонячних модулів

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.

П'ятірка найбільших виробників

Найбільші виробники фотоелектричних елементів (за сумарною потужністю) в 2020 році.

1. LONGi
2. Jinko Solar^[en]
3. Trina Solar
4. JA Solar
5. Canadian Solar

Цікаві факти

На початок 2023 року, перовскітові сонячні батареї, розроблені командою вчених із Національного університету Сінгапуру (NUS), досягли світового рекорду ефективності 24,35 % з активною площею 1 кв. см. Це досягнення прокладає шлях до дешевших, ефективніших і довговічніших сонячних батарей. Відомо, що перовскіти — це клас матеріалів, які демонструють високу ефективність поглинання світла та легкість виготовлення, що робить їх перспективними для застосування в сонячних елементах. За останнє десятиліття технологія перовскітних сонячних батарей досягла кількох проривів, і ця технологія продовжує розвиватися.

Див. також

• Фотоелемент
• Сонячна енергетика
• Сонячний колектор

Примітки

1. Перлин, Джон (2004-08). The Silicon Solar Cells Turns 50. National Renewable Energy Laboratory (NREL) (en — английский). 
2. This Month in Physics History. www.aps.org (англ.). Процитовано 13 березня 2021. 
3. Spain requires new buildings use solar power
4. Арендаторам домов с солнечными батареями будет выплачиваться дотация. Germania.one. 
5. Франция построит 1000 км дорог с солнечными батареями
6. Во Франции открыли первую дорогу из солнечных панелей. theUK.one. 
7. Автономный светофор на солнечных батареях - купить в Москве, цена. lumenstar.ru. Процитовано 5 листопада 2019. 
8. ТАСС: Наука — Ученые Южной Кореи создали подкожную солнечную батарею
9. «Solar Spectra: Air Mass Zero»
10. . Архів оригіналу за 26 травня 2012. Процитовано 7 лютого 2012. 
11. «Reference Solar Spectral Irradiance: Air Mass 1.5»
12. По материалам: www.ecomuseum.kz^{[недоступне посилання з Июнь 2019]}
13. pv magazine. Module Price Index. pv magazine International (амер.). Процитовано 22 лютого 2021. 
14. Renewable Power Generation Costs in 2019. /publications/2020/Jun/Renewable-Power-Costs-in-2019 (англ.). Процитовано 22 лютого 2021. 
15. 5bb Поликристаллический Перц 156,75 Мм 157 Мм Mcce Высокоэффективный Устойчивый К Пид Сертификат Tuv Полупорезов Поли Цена Солнечные Батареи - Buy 5bb Poly Solar Cell,156 5bb Solar Cell Polycrystalline, Half Cut Solar Cell Polycrystalline Solarcell Right Angle Product on Alibaba.com. russian.alibaba.com. Процитовано 23 квітня 2021. 
16. Австралийцы установили новый рекорд КПД солнечных батарей. Membrana (рос.). Membrana. 28 августа 2009. Архів оригіналу за 25 червня 2012. Процитовано 6 березня 2011. 
17. . Membrana (рос.). Membrana. 25 ноября 2010. Архів оригіналу за 3 березня 2011. Процитовано 6 березня 2011. 
18. Solar Junction Breaks Concentrated Solar World Record with 43,5 % Efficiency
19. Как сконцентрировать солнечный свет без концентраторов
20. . Архів оригіналу за 30 березня 2014. Процитовано 11 липня 2013. 
21. Новый рекорд КПД фотоэлемента: 44,7 %
22. Ученые из Института солнечных энергосистем Фраунгофера разработали солнечные батареи с КПД 46 % и это новый мировой рекорд
23. New world record for solar cell efficiency at 46 % — Fraunhofer ISE
24. All-silicon spherical-Mie-resonator photodiode with spectral response in the infrared region
25. Б. Берланд (2003). Фотоэлементы уходят за горизонт: Оптические ректенны солнечных батарей (англ.). Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США. Процитовано 4 квітня 2015. 
26. Краснок А Е, Максимов И С, Денисюк А И, Белов П А, Мирошниченко А Е, Симовский К Р, Кившарь Ю С. Оптические наноантенны // Успехи физических наук. — 2013. — Т. 183, № 6 (11 вересня). — С. 561–589. — DOI:10.3367/UFNr.0183.201306a.0561.
27. Александр Дубов. Физики выдавили из солнечных батарей дополнительную энергию. nplus1.ru. Процитовано 25 квітня 2018. 
28. Александр Дубов. Химики продлили жизнь горячим электронам в перовскитных батареях. nplus1.ru. Процитовано 20 червня 2018. 
29. Максимальные значения КПД фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях. Nitol Solar Limited. оригіналу за 17 липня 2008. 
30. Лапаева Ольга Федоровна. Трансформация энергетического сектора экономики при переходе к энергосберегающим технологиям и возобновляемым источникам энергии // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2010. — Вып. 13 (119) (11 сентября).
31. Pavel A. Troshin, Vladimir P. Fedin, Maxim N. Sokolov, Keith J. Stevenson, Nadezhda N. Dremova. Polymeric iodobismuthates {[Bi3I10} and {[BiI4]} with N-heterocyclic cations: promising perovskite-like photoactive materials for electronic devices] // Journal of Materials Chemistry A. — 2019. — Vol. 7, iss. 11 (12 March). — P. 5957–5966. — ISSN 2050-7496. — DOI:10.1039/C8TA09204D.
32. David Szondy (25 липня 2014). Stanford researchers develop self-cooling solar cells. (англ.). gizmag.com. Процитовано 6 червня 2016. 
33. Производство фотоэлектрического солнечного модуля. Архів оригіналу за 25 червня 2012. Процитовано 14 серпня 2011. 
34. Thomas Edison (22 травня 2020). . Solar Review (амер.). Архів оригіналу за 23 січня 2021. Процитовано 20 лютого 2021. 
35. Перовскітні сонячні батареї встановили новий рекорд ефективності перетворення електроенергії. 22.06.2023

Посилання

• Моделі фотоелектричного інвертора опис (англійською мовою) VisSim вихідний код діаграма(англ.)
• (англ.)
• Білі сонячні панелі — невелика «революція» в сонячній енергетиці, 30.10.2014, NashaGazeta.ch