Новое поколение солнечных батарей

В последние пять лет в мире произошло резкое падение стоимости солнечной энергии. Эксперты говорят, что в настоящее время она уже стала реальной альтернативой традиционной энергии, добываемой электростанциями.

В Австралии солнечные батареи установлены на миллионах крыш. Ими вырабатывается примерно 7% электроэнергии страны. Эксперты прогнозируют, что затраты на солнечную энергию будут падать, и в итоге она станет основным источником электричества не только в Австралии, но и в других, менее солнечных странах мира.

В последнее время солнечными батареями горячо интересуются дизайнеры, и батареи становятся украшением зданий. Мы расскажем вам про новые дизайнерские идеи интеграции солнечных панелей в современные дома.

Крыша из стеклянной плитки

Эту уникальную систему отопления разработала шведская компания. Плитка изготавливается из обычного стекла и весит не больше обычной черепицы. Она устанавливается на верхней части черной ткани, которая поглощает солнечное тепло. Под тканью расположены вентиляционные отверстия, которые позволяют плитке нагреть чистый воздух. В дальнейшем теплый воздух используется для нагрева воды в отопительной системе дома.

Солнечная черепица

Эти солнечные батареи работают так же, как обычные, но, интегрированы в черепицу. Их разработчики выиграли главную дизайнерскую австралийскую премию за то, что «поменяли правила игры с альтернативной электроэнергией»: обычно солнечные панели выглядят на крыше, как бельмо на глазу.

Солнечные окна

С точки зрения эффективного использования энергии окна считаются слабым местом. Но что, если вместо окон установить солнечные панели? Уже разработано стекло, которое является прозрачной панелью солнечной батареи. Видимый солнечный свет проходит через такие окна, а прямые солнечные лучи накапливаются в фотоэлектрических элементах. Эта технология уже используется, например, в этой башне в Чикаго.

Цветное стекло

Недавно придумали способ печати из цветного стекла, которое может генерировать солнечное электричество. На обычное стекло «напечатывается» слой прозрачных твердотельных солнечных батарей толщиной не более трех микрон. Полученная энергия может использоваться для нужд здания или экспортироваться в национальную энергетическую сеть. Эта технология пока недоступна для использования – ожидается, что полноразмерные панели появятся в продаже в 2016 году. И хотя они будут использоваться, в основном, для новых зданий, компания-производитель говорит о своем интересе к модернизации фасадов на существующих зданиях.

Солнечные покрытия

Ученые британских университетов утверждают, что они преуспели в создании солнечных батарей, которые можно распылять на поверхность зданий. Кроме того, разработано прозрачное покрытие, которое можно наносить на окна. В его состав входят микроскопические солнечные элементы размером менее четверти зернышка риса каждое.

О том, как пользователи forumhouse.ru используют энергию солнца и ветра на своих дачных участках, читайте здесь. Вот в этой ветке нашего форума обсуждается проблема установки поворотной мачты с солнечными батареями. А здесь общаются те, кто уже сконструировал и установил у себя на лоджии солнечный модуль или только собираются это сделать.

Источник

Солнечные батареи: описание различных видов и материалов нового поколения

20 лет назад электричество, добытое из солнечной энергии, казалось нам просто фантастикой. Но уже сегодня солнечными батареями уже никого не удивишь.

Жители стран Европы давно поняли все преимущества солнечной энергии, и теперь освещают улицы, обогревают дома, заряжают различные приборы и т.д. В этом обзоре речь пойдет солнечных батареях нового поколения, созданных для облегчения нашей жизни и сохранения окружающей среды.

Типы СБ

Принцип работы солнечной батареи. (Для увеличения нажмите) Сегодня насчитывается более десяти видов солнечных устройств, которые используются в той или иной отрасли. Каждый вид имеет свои характеристики и эксплуатационные особенности.

Принцип работы кремниевых солнечных батарей: на кремниевую (кремниево-водородную) панель попадает солнечный свет. В свою очередь, материал пластины изменяет направление орбит электронов, после чего преобразователи дают электрический ток.

Эти устройства можно условно поделить на четыре вида. Ниже рассмотрим их подробнее.

Монокристаллические пластины

Монокристаллическая СБ Отличие этих преобразователей в том, что светочувствительные ячейки направлены только в одну сторону.

Это дает возможность получать самый высокий КПД — до 26%. Но при этом панель должна все время быть направлена на источник света (Солнце), иначе мощность отдачи существенно снижается.

Другими словами, такая панель хороша только в солнечную погоду. Вечером и в пасмурный день такой вид панелей дает немного энергии. Такая батарея станет оптимальной для южных районов нашей страны.

Поликристаллические солнечные панели

Поликристаллическая СБ Пластины солнечных панелей содержат кристаллы кремния, которые направлены в разные стороны, что дает относительно низкий КПД (16-18%).

Однако главным преимуществом этого вида солнечных панелей — в отличной эффективности при плохом и рассеянном свете. Такая батарея все равно будет питать аккумуляторы в пасмурную погоду.

Статью о готовых комплектах солнечных батарей для дачи читайте здесь.

Аморфные панели

Аморфная СБ Аморфные пластины получают путем напыления кремния и примесей в вакууме. Слой кремния наносится на прочный слой специальной фольги. КПД подобных устройств достаточно низкий, не более 8-9%.

Низкая «отдача» объясняется тем, что под действием солнечных лучей тонкий слой кремния выгорает.

Практика показывает, что после двух-трех месяцев активной эксплуатации аморфной солнечной панели эффективность падает на 12-16%, в зависимости от производителя. Срок службы таких панелей не более трех лет.

Преимущество их в низкой стоимости и возможности преобразовывать энергию даже в дождливую погоду и туман.

Гибридные солнечные панели

Гибридные СБ Особенность таких блоков в том, что в них объединены аморфный кремний и монокристаллы. По параметрам панели похожи на поликристаллические аналоги.

Особенность таких преобразователей в лучшем преобразовании солнечной энергии в условиях рассеянного света.

Полимерные батареи

Полимерная СБ Многие пользователи считают, что это перспективная альтернатива сегодняшним панелям из кремния. Это пленка, состоящая из полимерного напыления, алюминиевых проводников и защитного слоя.

Особенность ее в том, что она легкая, удобно гнется, скручивается и не ломается. КПД такой батареи составляет всего 4-6%, однако низкая стоимость и удобное использование делает такой вид солнечной батареи очень популярной.

Новые разработки

С каждым днем технологии стремительно развиваются, и производство солнечных моделей не стоит на месте. Предлагаем ознакомиться с последними новинками на рынке солнечных систем.

Солнечная черепица

Солнечная черепица Дабы не испортить эстетику кровли дома и при этом получать бесплатную энергию солнца, можно рассмотреть вариант с покупкой солнечной черепицы. Этот отделочный материал состоит из достаточно прочного корпуса и встроенных фотоэлементов.

Кровельное покрытие вырабатывает достаточно энергии, которую можно использовать в бытовых условиях. При использовании такого материала-оборудования можно питать отдельно выделенную электросеть или сбрасывать электроэнергию в общую сеть.

В любом случае общие затраты на электроэнергию снижаются.

Лидером по производству солнечной черепицы является компания из России — «Инноватикс». Вот уже более десяти лет она продает высококачественные отделочные материалы со встроенными фотоэлементами.

Интересно, что такую черепицу тяжело отличить от обычного кровельного материала даже при близком расстоянии.

Преимущества солнечной черепицы:

Полупроводниковый материал, который используется при соединении фотоэлементов, сократили в 4 раза.
Инновационная система фокусировки солнечного света позволяет получать в 5 раз больше энергии.
Средний срок эксплуатации солнечной черепицы составляет 20 лет.
Относительно небольшой вес черепицы не имеет негативного давления на кровлю.
Прочность солнечной черепицы позволяет ее использовать при любых погодных условиях. Черепица спокойно выдерживает град и другие осадки.
Простота креплений позволяет надежно устанавливать черепицу в самые короткие сроки.

Солнечное окно

Солнечное окно Буквально три года назад на рынке солнечных технологий появилась новая разработка американских конструкторов из «Pythagorus Solar Windows». Суть инновации в том, чтобы использовать оконное стекло в качестве панели, добывающей солнечную энергию.

Подобные панели по полной используют в высотках европейских городов. Это позволяет существенно экономить электроэнергию.

Технология солнечных окон представляет собой использование фотоэлементов в виде кремниевых полос, встроенных между стеклами. Помимо того, что окна будут вырабатывать дополнительную электроэнергию, в дополнение окно будет защищать комнату от перегрева, задерживая солнечный свет. Внешне солнечные окна похожи на привычные жалюзи.

Другой производитель солнечных окон «Solaris Plus» предлагает использовать специальные стекла, обработанные специальным кремниевым напылением. Полосы будут преобразовывать солнечные лучи в электроэнергию, которая будет питать АКБ через полупрозрачные проводники.

Статью о современном уличном освещении читайте здесь.

Гибридные фотоэлементы

В 2015 году американскими конструкторами были разработаны гибридные фотоэлементы, позволяющие преобразовывать электроэнергию не только из солнечного света, но и тепла. Суть конструкции заключается в применении фотоэлементов из кремния и полимерной пленки «PEDOT».

Фотоэлемент фиксируется с пироэлектрической пленкой и соединяется с термоэлектрическим оборудованием, способным преобразовывать тепло в электрический ток.

Тестирование новой гибридной технологии показало, что новая термическая пленка способна вырабатывать в 10 раз больше электроэнергии, чем стандартная солнечная панель.

Системы на основе биологической энергии

Исследования, проводимые специалистами из университета Кембриджа, пока не дали конкретных результатов в области разработки солнечных систем нового поколения, преобразовывающих биологическую энергию (фотосинтез). Последние результаты показали КПД менее 0.4 %.

Но разработки не останавливаются, а ученые обещают, что в ближайшем будущем получать энергию от биологических солнечных систем.

Варианты таких батарей впечатляют:

Лампа дневного света, работающая от обычного лесного мха.
Электростанции в виде больших листьев.
Панели из растений для домашнего пользования.
Мачты из растений, из которых будут добывать электроэнергию и многое другое.

Надеемся на то, что в скором будущем гелиосистемы нового поколения будут использоваться по максимуму. Это даст возможность обеспечить электроэнергией каждый дом на планете, без вреда для окружающей среды.

Смотрите видео, в котором рассказывается о солнечных батареях нового поколения:

Источник

5 необычных солнечных батарей будущего

На сегодняшний день солнечные батареи на основе кремния – далеко не финал на пути обуздания энергии солнечного света и ее преобразования в полезную электрическую энергию. Многие работы ведутся учеными до сих пор, и в этой статье мы рассмотрим пять необычных решений, разработками которых занимаются некоторые из современных исследователей.

В американской национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) построена солнечная батарея на основе полупроводниковых кристаллов, размеры которых не превышают нескольких нанометров , это так называемые квантовые точки. Образец уже является рекордсменом по показателям внешней и внутренней квантовой эффективности, которые составили соответственно 114% и 130%.

Эти характеристики показывают отношение количества генерируемых пар электронов-дырок к количеству падающих на образец фотонов (внешняя квантовая эффективность) и отношение количества генерируемых электронов к количеству поглощенных фотонов (внутренняя квантовая эффективность) для определенной частоты.

Внешняя квантовая эффективность меньше внутренней, поскольку не все поглощенные фотоны участвуют в генерации, а часть фотонов, падающих на панель, просто отражается.

Образец состоит из следующих частей: стекло в просветляющим покрытием, слой прозрачного проводника, далее наноструктурированные слои оксида цинка и квантовых точек селенида свинца, затем этандитиол и гидразин, а в качестве верхнего электрода тонкий слой золота.

Суммарный КПД такой ячейки составляет около 4,5%, но этого достаточно для экспериментально полученной достаточно высокой квантовой эффективности данного сочетания материалов, и значит впереди оптимизация и совершенствование.

Еще ни один солнечный элемент не показывал внешнюю квантовую эффективность выше 100%, в то время как уникальность данной разработки NREL и заключается в том, что каждый фотон, упавший на батарею создает на выходе больше одной пары электрон-дырка.

Причиной успеха послужила множественная генерация экситонов (MEG), — эффект, который впервые использован для создания полноценной солнечной батареи, способной генерировать электричество. Интенсивность эффекта связана с параметрами материала, с шириной запрещенной зоны в полупроводнике, а также с энергией падающего фотона.

Решающее значение имеет размер кристалла, поскольку именно в пределах крошечного объема квантовые точки ограничивают носители заряда, и могут собирать избыточную энергию, иначе эта энергия бы просто терялась в виде тепла.

В лаборатории считают, что элементы на основе эффекта MEG – весьма достойные претенденты на звание солнечных батарей нового поколения.

Еще один необычный подход к созданию солнечных батарей предложил Прашант Камат из университета Нотр-Дама. Его группа разработала краску на основе квантовых точек диоксида титана, покрытых сульфидом кадмия и селенидом кадмия, в форме водно-спиртовой смеси.

Паста была нанесена на пластинку из стекла с проводящим слоем, затем был проведен обжиг, и в результате получилась фотогальваническая батарея . Подложке, превращенной в фотоэлектрическую панель, требуется только электрод сверху, и можно получать электрический ток, поместив ее на солнце.

Ученые полагают, что в будущем можно будет создать краску для автомобилей и для домов, и таким образом превратить, скажем, крышу дома, или кузов автомобиля, покрашенные этой особой краской, в солнечные панели. Это и является главной целью исследователей.

Хоть КПД и не высок, всего 1%, что в 15 раз меньше обычных кремниевых панелей, солнечная краска может быть произведена в больших объемах, и очень недорого. Так могут быть удовлетворены энергетические потребности в будущем, считают химики из группы Камат, называющие свое детище «Sun-Believable» , что в переводе обозначает «Солнечно-вероятный».

Следующий необычный способ преобразования солнечной энергии предлагают в Массачусетском технологическом институте. Андреас Мершин с коллегами создали экспериментальные батареи на основе комплекса биологических молекул, способных «собирать» свет.

Фотосистема PS-1, заимствованная у цианобактерии Thermosynechococcus elongatus, была предложена молекулярным биологом Шугуаном Чжаном и несколькими его единомышленниками еще за 8 лет до начала нынешних экспериментов Андреасом Мершиным.

КПД систем получился всего около 0,1%, однако это уже важный шаг на пути массового внедрения в быт, ведь затраты на создание таких устройств чрезвычайно низки, и вообще, биологические батареи могут создавать сами их владельцы, используя набор химических реактивов и стог свежескошенной травы. А между тем, ряд усовершенствований позволит поднять КПД до 1-2%, т.е. до коммерчески жизнеспособного уровня.

Прежние подобные ячейки с фотосистемами могли приемлемо работать только под светом лазера, сконцентрированным строго на ячейке, и то лишь в узком диапазоне длин волн. К тому же были нужны дорогие химические вещества и лабораторные условия.

Еще одной проблемой было то, что извлеченные из растений молекулярные комплексы не могли существовать долго. Теперь же команда института разработала набор поверхностно активных пептидов, обволакивающих систему, и сохраняющих ее на долгое время.

Повышая эффективность сбора света, команда Массачусетского технологического института решила проблему защиты фотосистем от ультрафиолета, который раньше повреждал фотосистему.

PS-1 высеивали теперь не на гладкой подложке, а на поверхности с очень большой эффективной площадью, это были трубки диоксида титана толщиной 3,8 мкм с порами в 60 нм, и плотные стержни оксида цинка, высотой несколько микрометров и диаметром в несколько сотен нанометров.

Эти варианты фотоанода позволили увеличить количество молекул хлорофилла под светом, и защитили комплексы PS-1 от ультрафиолетовых лучей, поскольку оба материала хорошо их поглощают. К тому же титановые трубки и цинковые стержни играют еще и роль каркаса и выполняют функцию переносчиков электронов, в то время как PS-1 собирает свет, усваивает его, и разделяет заряды, как это происходит в живых клетках.

Выставленная на солнце ячейка дала напряжение в 0,5 вольта при удельной мощности в 81 микроватт на один квадратный сантиметр и плотности фототока 362 мкА на квадратный сантиметр, что в 10 раз выше, чем у любой другой, известной ранее, биофотовольтаики на основе натуральных фотосистем.

Теперь поговорим о солнечных батареях на основе органических полимеров. Если наладить их массовое производство, то они окажутся значительно дешевле кремниевых конкурентов, при том, что уже достигнут КПД в 10,9%. Тандемная полимерная солнечная батарея , созданная группой ученых из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), имеет несколько слоев, каждый из которых работает со своей частью спектра.

Удачное сочетание разных веществ, не мешающих друг другу при совместной работе, — вот наиболее важный момент. Именно для этого авторы специально разработали сопряженные полимеры с низкой запрещенной зоной.

В 2011 году ученым удалось получить такую однослойную полимерную ячейку с КПД 6%, в то время как тандемная ячейка показала КПД 8,62%. Работая дальше, исследователи задались целью расширить диапазон рабочего спектра в инфракрасную область, и им пришлось добавить полимер японской компании Sumitomo Chemical, благодаря которому и удалось достичь КПД 10,9%.

Эта наиболее успешная конструкция состоит из передней ячейки из материала с большой запрещённой зоной, и из задней ячейки, у которой запрещённая зона узкая. Авторы разработки утверждают, что создание такого преобразователя, включая стоимость материалов, не очень дорого, к тому же сама технология совместима с выпускаемыми сегодня тонкопленочными солнечными батареями.

Похоже, что в ближайшие несколько лет солнечные батареи на основе органических полимеров станут коммерчески жизнеспособными, ведь разработчики планируют повысить их КПД до 15%, то есть до уровня кремниевых.

Завершают обзор супер тонкие солнечные батареи, обладающие толщиной в 1,9 мкм , что в 10 раз тоньше любых других, созданных ранее, тонкопленочных батарей. Совместными усилиями японских и австрийских ученых, создана тонкая органическая необычайно гибкая солнечная батарея. На демонстрации изделие было обернуто вокруг человеческого волоса диаметром 70мкм.

Для изготовления батареи были применены традиционные материалы, однако подложка была изготовлена из полиэтилентерефталата толщиной 1,4 мкм. При КПД 4,2%, удельная мощность новой солнечной батареи составила 10 Ватт на грамм, что в целом в 1000 раз превосходит соответствующий показатель батарей на основе мультикристаллического кремния.

В связи с этим представляется перспективным развитие таких направлений, как «умный текстиль» и «умная кожа», где в дополнение к солнечным батареям могут присутствовать и электронные микросхемы, созданные по аналогичной технологии, столь же тонкие и гибкие.

На сайте Электрик Инфо:

Донат на развитие проекта Электрик Инфо: Пожертвование на развитие сайта

Источник