1 / 69

Bateria słoneczna

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;

terah
Download Presentation

Bateria słoneczna

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  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!

  14. 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

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

  16. Synteza termojądrowa na Słońcu Cykl p-p

  17. 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.

  18. 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

  19. 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.

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

  21. 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.

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

  23. 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).

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

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

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

  27. 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

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

  29. 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)

  30. 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

  31. ) 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

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

  33. 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:

  34. Bateria obciążona oporem RL

  35. 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:

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

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

  38. Rzeczywista charakterystyka I – V

  39. 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 Nph jest liczbą fotonów o energii równej Eg . 2 i 3 -straty na złączu i na kontaktach 4 -straty na rekombinację

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

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

  43. 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)

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

  45. 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.

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

  47. Krystaliczny krzem Amorficzny krzem

  48. 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

  49. 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

More Related