Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Bateria słoneczna. Fotodioda vs bateria słoneczna -dla fotodiody interesujący jest tylko zakres długości fal w pobliżu piku czułości; -dla baterii – im.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Bateria słoneczna. Fotodioda vs bateria słoneczna -dla fotodiody interesujący jest tylko zakres długości fal w pobliżu piku czułości; -dla baterii – im."— Zapis prezentacji:

1 Bateria słoneczna

2 Fotodioda vs bateria słoneczna -dla fotodiody interesujący jest tylko zakres długości fal 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 = R D C. 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 Parametry użytkowe fotodiody R i = 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 Zasoby kopalin (optymistyczne prognozy) (Oil & Gas Journal, World Oil) przy obecnym poziomie konsumpcji energii, wystarczą na: Węgiel lat Olej - 43 lata Gaz 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. Kopaliny – konwencjonalne źródła energii

8 Ewolucja światowych zasobów oleju według teorii Hubberta

9 Przewiduje się, że odnawialne źródła energii będą stanowić istotny składnik zasobów energetycznych w okresie najbliższych 25 lat Odnawialne źródła energii Główne przyczyny: Rosnące zapotrzebowanie energetyczne Spadek produkcji paliw konwencjonalnych Spadek cen odnawialnych źródeł energii Ekologia

10 Przyszłość odnawialnych źródeł energii Źródło: Royal Dutch Shell Group węgiel ropa gaz e. jądrowa biomasa woda wiatr Słońce Geo ExaJ 1exaJ=10 18 J

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 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.

12 Produkcja fotoogniw w latach

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

15 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 Słońce

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

17 Synteza termojądrowa na Słońcu Cykl p-p

18 Energia słoneczna Synteza 1 kg wodoru daje 7.1 grama masy zamienionej na energię: E = mc 2 = kg x (3x10 8 m/s) 2 = 6.4x10 14 J Jasność Słońca 3.83x10 26 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.

19 Słońce jest najważniejszym źródłem energii na Ziemi: do powierzchni atmosfery w południe na równiku dociera moc równa stałej słonecznej P=1,37 kW/m 2. 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/m 2. 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 kWh/m 2. Zapotrzebowanie na energię elektryczną przeciętnego gospodarstwa domowego w Polsce wynosi ok kWh AMX=AM1/cos φ AM - ilość masy powietrza, przez którą przechodzi światło AMO - stała słoneczna 1.37 KW/m 2 Promieniowanie słoneczne

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 Promieniowanie słoneczne E B fala strumień fotonów Światło widzialne – długość fali 0.38 m < 0.76 m

24 Historia 1839 – efekt PV zaobserwowany przez Becquerela. 1870s – fotoogniwo selenowe 2% - Hertz – 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 Absorpcja światła w półprzewodniku (CdS) Występuje, gdy energia fotonu jest większa od przerwy wzbronionej półprzewodnika

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

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 transportowane przez złącze

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

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

31 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, I sc. Efekt fotowoltaiczny - E C E V E C E V F 0 hf I D (A) V D (V) I sc I sc = q N ph (E g )~

32 Złącze rozwarte ) I D (A) V D (V) ECEC EVEV ECEC EVEV qV bi qV OC V oc Gdy jest rozwarte pojawia się fotonapięcie, V oc. Temu napięciu towarzyszy prąd: Ten prąd równoważy w rozwartym oświetlonym złączu p-n maksymalny prąd fotogeneracji, czyli I sc : I d = I o [exp(eV oc /kT)-1] I sc – I d = 0

33 Złącze rozwarte I sc = I d = I o [exp(eV oc /kT)-1] Po przekształceniu: Ponieważ I sc 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 I L Ten prąd powoduje pojawienie sią spadku napięcia V na oporze R L. Napięcie V polaryzuje złącze w kierunku przewodzenia: pojawia się więc prąd I F Całkowity prąd:

35 Bateria obciążona oporem R L

36 Parametry I m i V m – prąd i napięcie odpowiadające punktowi mocy maksymalnej, I sc i V oc – prąd zwarcia i napięcie rozwarcia W IV ćwiartce charakterystyki jest generowana moc: Współczynnik wypełnienia Sprawność

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

38 Oporność upływu Wpływ oporności upływu R sh na charakterystykę I-V baterii słonecznej

39 Rzeczywista charakterystyka I – V

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

41 N ph jest liczbą fotonów o energii równej E g. Straty sprawności w ogniwach 1 - termalizacja 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 Średnica 300 mm, długość 1.5 m (bez stożkowych zakończeń) i waga 275 kg. polikrystaliczny monokrystaliczny

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

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 (CuInGaSe 2 ) lub CIS (CuInS) CdTe Rekord wydajności dla ogniwa na podłożu polimerowym: 20.4%

51 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 cm 2 )

52 Odwrócone ogniwo cienkowarstwowe p-diament (Eg= 5.5 eV) – okno n-CdTe layer jako warstwa absorbcyjna

53 III generacja Ogniwa wielozłączowe Ogniwa polimerowe i organiczne (niska wydajność – 5%) Na nanorurkach węglowych (b. duża powierzchnia) Z kropkami kwantowymi Na gorących nośnikach

54 Widmo wykorzystywane przez ogniwo Si

55 Ogniwo wielozłączowe sprawność > 40%!

56 III generacja -ogniwa DSSC Roztwór TiO 2 (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 TiO 2, elektrolit dyfunduje. Barwnik jest zaadsorbowany przez nanocząstkę TiO 2. Na wierzchu nakładana jest platynowa elektroda zliczająca

57 Ewolucja rekordowych sprawności

58 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).

59 Jak podnieść sprawność ogniw? Koncentratory światła Systemy śledzące

60 Ogniwa wielopasmowe Środkowe pasmo tworzone jest przez poziomy domieszkowe. W procesie 3 biorą udział fonony Graniczna sprawność teoretyczna %

61 Ogniwa wyżłobione Większa powierzchnia złącza Wyższa sprawność( > 20%)

62 Teksturyzacja powierzchni

63 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 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 ha). Elektrownie słoneczne dziś

64 Elektrownia słoneczna w Indiach

65 Alcatraz

66 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

67 Solarny samochód i parking

68 Baza Nellis Air Force USA; panele śledzą trajektorię Słońca

69 Dziękuję za uwagę


Pobierz ppt "Bateria słoneczna. Fotodioda vs bateria słoneczna -dla fotodiody interesujący jest tylko zakres długości fal w pobliżu piku czułości; -dla baterii – im."

Podobne prezentacje


Reklamy Google