Bell laboratories солнечные батареи

История развития солнечной энергетики

Январь 2018

Использование линз и зеркал для фокусировки солнечных лучей, например, для нагрева воды, использовалось с древних времен, но в 1839 году французский ученый Эдмонд Беккерель начал экспериментировать с электролитическими ячейками, генерирующими электричество под воздействием солнечного света. Беккерелю было всего 19 лет, когда он создал на базе хлорида серебра и кислотного раствора ячейку, генерирующую электроэнергию под воздействием солнечных лучей

Лондонский профессор Уильям Гриллс Адамс и его ученик Ричард Эванс Дей наблюдали фотогальванический эффект при воздействии света на селен. Конечно, они не смогли получить количество электроэнергии для работы какого-либо оборудования, но таким образом они доказали возможность выработки электроэнергии твердыми элементами под воздействием солнца. Так возникла идея создания фотогальванической ячейки.

Американский изобретатель Чарльз Фриттс создает первую рабочую фотогальваническую ячейку на основе селена. Он покрыл селеновую основу тонким слоем золота. Этот первый функционирующий солнечный элемент имел КПД всего 1%. Первые в мире солнечные батареи на базе этих элементов были установлены на крыше одного из зданий в Нью-Йорке в 1884 году. Но высокая стоимость таких фотогальванических ячеек препятствовала широкомасштабному внедрению эти солнечных батарей.

Одаренный и пытливый разум Альберта Эйнштейна, наконец, теоретически обосновывает возникновение фотоэлектрического эффекта. Эйнштейн в своей статье объясняет, что свет содержит пакеты энергии, которые он назвал «квантами света». Сегодня эти «кванты» мы называем фотонами. Теория Эйнштейна помогла объяснить, как фотоны могут генерировать электроэнергию. В 1921 году Эйнштейн Получил Нобелевскую премию за «вклад в теоретическую физику, и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Применение концентрации солнечного света использовалось довольно давно и долгое время. Но чисто фотоэлектрическая, солнечная энергетика родилась, только когда ученые из Bell Labs кремниевую фотовольтаическую ячейку. Ученые Bell Labs Дэрил Чапин, Кальвин Фуллер и Джеральд Пирсон добились 6% -ной эффективности с этой первой кремниевой ячейкой, и вскоре ранние солнечные панели были использованы для питания спутников, вращающихся вокруг Земли. В 1958 году Vanguard I был запущен с шестью солнечными батареями мощностью около 1 Вт.

Исследовательские лаборатории по всем миру продолжают улучшать эффективность фотовольтаических ячеек, но коммерциализация идет очень медленно. Однако, в 1963 году Sharp успешно начинает промышленное производство солнечных батарей, что позволяет расширить доступность солнечных батарей для обычных потребителей, а не только для космической области.

Нефтяной кризис 1973 года заставляет людей вкладывать деньги в исследования солнечной энергии. Доктор Эллиот Берман, финансируемый корпорацией Exxon, разрабатывает более дешевую солнечную панель, цена которой снижается со 100 долларов за ватт до 20. Берман обнаружил, что использование в производстве солнечных батарей поликристаллов обходится гораздо дешевле, чем монокристаллов. Однако, при этом страдает и эффективность. Даже сейчас поликристаллические солнечные батареи дешевле, но и менее эффективны, чем монокристаллические.

В 1974 году была создана Ассоциация солнечной энергетики (SEIA), работающая над разработкой, внедрением и продвижением солнечной энергетики с США. Основной задачей организации являлось создание единой, и прибыльной промышленной отрасли.

Министерство энергетики США открывает Исследовательский институт солнечной энергии, который позже становится известным, как Национальная лаборатория возобновляемой энергетики (NREL). Лаборатория получает ежегодное финансирование от конгресса США, используемое в проектах и разработках.

ARCO Solar становится первой компанией, производящей 1 мегаватт солнечных панелей в год. Два года спустя в Калифорнии компания реализовала первый проект солнечной электростанции мощностью 1 мегаватт. В дальнейшем, после серии слияний и поглощений, ARCO становится корпорацией SolarWorld.

ARCO Solar выпускает первый коммерческий тонкопленочный солнечный модуль (из аморфного кремния). Шесть лет спустя Университет Южной Флориды достигает эффективности тонкопленочных солнечных модулей в 15,9%, используя в модулях теллурид кадмия (на сегодняшний день достигнут показатель 22%).

Pacific Gas & Electric становится первой американской компанией, обеспечивающей поддержку централизованной энергосети, за счет солнечной энергии, вырабатываемой на солнечной электростанции 500 кВт в Кермане, Калифорния.

Изобретатель и ученый Субенду Гуха изобретает первый гибкий тонкопленочный фотоэлектрический модуль, который он назвал «дранкой», который можно использовать в строительстве зданий с интегрированными системами солнечной генерации.

Генерация всех солнечных электростанций в мире переваливает за 1 гигаватт. Только США достигают генерации 1ГВт в 2008 году, и превышают показатель в 25 ГВт в 2015 году.
Компания First Solar открывает крупнейшую в мире фабрику по производству солнечных батарей мощностью 100 МВт в год, до 2005 года мощность производства не превышала 25 МВт.

BP и BP Solar открывают первую заправочную станцию BP Connect в Индианаполисе, использующую полупрозрачные гибкие солнечные модули в качестве крыши и навесов.

Компания Powerlight (которая была в 2006 году приобретена SunPower) устанавливает на крыше тюрьмы Санта-Рита в Дублине, Калифорния, солнечную электростанцию мощностью 1,18 МВт, крупнейшую в США, и четвертую в мире. По расчетам, электростанция должна обеспечить до 30% потребностей тюрьмы в электроэнергии.

Североамериканский совет энергетиков (NABCEP) создал некоммерческую организацию для поддержки программ сертификации и сертификации солнечной энергии. Первый экзамен на соответствие «NABCEP Solar PV Installation Professional» был проведен в следующем году.

Первая конференция и выставка по солнечной энергетике (названная позднее Solar Power International) была проведена в Сан-Франциско.

Компания Nanosolar начинает продажу первых коммерческих тонкопленочных модулей CIGS. В то время это была самая дешевая солнечная панель в мире, ее стоимость составляла 99 центов за 1 ватт.

Компания Enphase выпускает первый коммерческий солнечный сетевой микроинвертер.

Популярность солнечных панелей Zep Solar, основанная на особой инновационной системе крепления солнечных батарей, приводит к тому, что SolarCity покупает компанию Zep Solar в 2013 году.

Департамент энергетики, стараясь повысить конкурентоспособность солнечной энергетики к 2020 году, устанавливает «зеленый тариф» на генерируемую и отдаваемую в центральную сеть, энергию. 10 центов за 1 кВтч для домохозяйств, 8 центов за 1 кВтч для коммерческих зданий, и 6 центов для сетевых солнечных электростанций.

Рынок установок «домашних» солнечных электростанций в США достигает 2 ГВт в год. Общий объем рынка солнечных электростанций превышает 20 ГВт.

Google запускает проект Project Sunroof, использующий спутниковые снимки для анализа и принятия решений по размещению солнечных панелей на крышах (в пределах США).

В апреле 2016 года установлен миллионный массив солнечных панелей в США. К 2018 этот объем должен удвоиться.

Генерация солнечных электростанций в США достигла 14,625 МВт в год, что на 95% превысило показатель 2015 года в 7,493 МВт. В 2016 году каждый следующий мегаватт солнечной энергии подключался к сети каждые 36 минут.

В этом году стоимость солнечных панелей падает до рекордно-низкого уровня. Общая стоимость систем для жилых зданий снижается до 2,8 $ за 1 Вт.

Источник

Журнал «Все о Космосе»

Солнечная батарея (панель)

Солнечная батарея на МКС

Солнечная батарея — несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.

Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Ήλιος , Helios — Солнце). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.

История

Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фотохимиком армянского происхождения Джакомо Луиджи Чамичаном.

25 апреля 1954 года, специалисты компании Bell Laboratories заявили о создании первых солнечных батарей на основе кремния для получения электрического тока. Это открытие было произведено тремя сотрудниками компании — Кельвином Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller), Дэрилом Чапин (Daryl Chapin) и Геральдом Пирсоном (Gerald Pearson). Уже через 4 года, 17 марта 1958 году, в США был запущен первый спутник с солнечными батареями — Vanguard 1. Спустя всего пару месяцев, 15 мая 1958 года в СССР был запущен Спутник-3, также с использованием солнечных батарей.

Использование в космосе

Солнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.

Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой Марса) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к Венере и Меркурию, напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз).

Эффективность фотоэлементов и модулей

Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли (AM0), составляет около 1366 ватт на квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D ). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м². С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9—24 %. При этом цена батареи составит около 1—3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях.

В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %. В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с эффективностью 39 %. В 2011 году калифорнийская компания Solar Junction добилась КПД фотоэлемента размером 5,5×5,5 мм в 43,5 %, что на 1,2 % превысило предыдущий рекорд.

В 2012 году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba из полиметилметакрилата (оргстекла), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД системы при неподвижном положении панели составил 26—30 % (в зависимости от времени года и угла, под которым находится Солнце), в два раза превысив практический КПД фотоэлементов на основе кристаллического кремния.

В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4х4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 %, а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Soitec, CEA-Leti и Берлинского центра имени Гельмгольца создали фотоэлемент, использующий линзы Френеля с КПД 44,7 %, превзойдя своё собственное достижение в 43,6 %. В 2014 году Институт солнечных энергосистем Фраунгофер создали солнечные батареи, в которых благодаря фокусировке линзой света на очень маленьком фотоэлементе КПД составил 46%.

В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца.

Перспективным направлением является создание фотоэлементов на основе наноантенн, работающих на непосредственном выпрямлении токов, наводимых в антенне малых размеров (порядка 200-300 нм) светом (т. е. электромагнитным излучением частоты порядка 500 ТГц). Наноантенны не требуют дорогого сырья для производства и имеют потенциальный КПД до 85%.

Для большинства людей индустрия производства солнечной энергии по-прежнему выглядит, как некий прорыв, совершенный в последние полтора десятилетия. Однако, сама идея и начало развития солнечной энергетики уходит вглубь истории почти на двести лет.

Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов

Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры.

Частичное затемнение панели вызывает падение выходного напряжения за счёт потерь в неосвещённом элементе, который начинает выступать в роли паразитной нагрузки. От данного недостатка можно избавиться путём установки байпаса на каждый фотоэлемент панели.

Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используют контроллер управления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей.

Производство

Очень часто одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности. Поэтому определенное количество фотоэлементов соединяется в так называемые фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. Эта сборка может быть полностью автоматизирована.

Источник