Wykład VI
advertisement
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 R i R D lqR D hc Przy pracy fotodiody bez polaryzacji zewnętrznej dominuje szum Johnsona – Nyquista i detekcyjność wyraża się wzorem: D*l lq 2 hc RV A RD A kT 2 kTRD 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 12,34 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
