Bateria słoneczna

1. Bateria słoneczna

2. 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.

3. Ri = Parametry użytkowe fotodiody Wydajność kwantowa fotodiody: Czułość prądowa fotodiody: Czułość napięciowa fotodiody: Przy pracy fotodiody bez polaryzacji zewnętrznej dominuje szum Johnsona – Nyquista i detekcyjność wyraża się wzorem:

4. Fotodioda p-i-n

5. Fotodioda M-S.

6. Rodzaje fotodiod • Fotodiody na heterozłączach. • Fotodiody lawinowe

7. 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.

8. Ewolucja światowych zasobów oleju według teorii Hubberta

9. 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

10. Przyszłość odnawialnych źródeł energii 300 200 ExaJ 2060 2040 100 2020 1999 0 gaz węgiel Słońce Geo ropa wiatr woda biomasa e. jądrowa Źródło: Royal Dutch Shell Group 1exaJ=1018J

11. 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 millionówgospodarstw 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

12. Produkcja fotoogniw w latach 2001-2010 12

13. 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!

15. Słońce w strefie konwekcji energia jest transport. na zewnątrz strefa konwekcji energia produkowana w rdzeniu jest transport. na zewnątrz przez fotony strefa reakcji termojądr. w jądrze zachodzą reakcje termojądrowe strefa radiacyjna

16. Równowaga hydrostatyczna Siła ciśnienia termicznego skierowana na zewnątrz jest równoważona przez siłę grawitacji

17. Synteza termojądrowa na Słońcu Cykl p-p

18. 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 675milionów ton H jest zamieniane na 653 milionów ton He z równoczesną zamianą około 22milionów ton materii na energię.

19. 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

20. 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.

21. Bateria słoneczna - dlaczego jest to atrakcyjne źródło energii? • Nie wymaga zasilania – nie konsumuje paliwa • Nie degraduje środowiska • Posiada wysoki wskaźnik mocy do wagi

22. Bateria słoneczna Urządzenie, 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.

23. B E Promieniowanie słoneczne Światło widzialne – długość fali 0.38mm < l < 0.76mm fala strumień fotonów

24. 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).

25. Półprzewodniki - elektrony i dziury W półprzewodnikach występuje absorpcja światła, gdy energia fotonu jest większa od przerwy wzbronionej półprzewodnika

26. Absorpcja światła w półprzewodnikach Występuje, gdy energia fotonu jest większa od przerwy wzbronionej półprzewodnika Absorpcja światła w półprzewodniku (CdS)

27. n p I - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + A V A A Złącze p-ndioda półprzewodnikowa Charakterystyka I-V - nieliniowa Polaryzacja w kier. przewodzenia Polaryzacja zaporowa

28. 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 transportowaneprzez złącze

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

30. E Bateria słoneczna P N • 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. Dodatnie dziury +ujemnie naładowane nieruchome akceptory Ujemne elektrony + dodatnio naładowane nieruchome donory N P dziury - + elektrony Tylko naładowane donory/akceptory (obszar zubożony)

31. E C E C EF E V 0 E V Isc hf - ID (A) VD (V) Światło jest absorbowane, tworzą się pary elektron-dziura, które są separowane przez pole w złączu i transportowaneprzez złącze –gdy złącze jest zwarte - płynie prąd zwarcia, Isc. Efekt fotowoltaiczny Isc = q Nph(Eg)~ F

32. ) Voc EC EC qVOC EV qVbi EV ID (A) VD (V) Złącze rozwarte 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

33. Złącze rozwarte Isc = Id = Io [exp(eVoc /kT)-1] Po przekształceniu: Ponieważ Isc~F, to

34. 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:

35. Bateria obciążona oporem RL

36. Parametry Współczynnik wypełnienia Sprawność 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:

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

38. Oporność upływu Wpływ oporności upływu Rsh na charakterystykę I-V baterii słonecznej

39. Rzeczywista charakterystyka I – V

40. Straty sprawności w ogniwach 1 –termalizacja 2 i 3 -straty na złączu i na kontaktach 4 -straty na rekombinację

41. Straty sprawności w ogniwach 1 - termalizacja Nph jest liczbą fotonów o energii równej Eg . 2 i 3 -straty na złączu i na kontaktach 4 -straty na rekombinację

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

43. Krzem • polikrystaliczny • monokrystaliczny Średnica 300 mm, długość 1.5 m (bez stożkowych zakończeń)i waga 275 kg.

44. 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)

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

46. 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.

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

48. Krystaliczny krzem Amorficzny krzem

49. 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

50. 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