Muqobil energiya manbalari

23-mavzu. Quyosh fotoelektrik qurilmalarning energetik harakteristikasi.
Reja:
23.1. Fotoelektrik qurilmalar va stansiyalar.
23.2. Fotoelektrik stansiyalar turlari.
23.3. Avtonom, elektr tarmog‘i bilan parallel ishlaydigan, rezerv fotoelektrik stansiyalar.
23.4. Fotoelektrik stansiyalarda elektr energiyasini akkumulyatsiyalash.
23.5. Akkumulatorlar. Energiyani akkumulyatsiyalash jarayonlari. Akkumulatorlarda zaryad-razryad jarayonlari. Akkumulyatsiyalangan eyergiyani hisoblash usullari.
Pironometrlar. Aktinometrlarning ish jarayonlari.
Fotoelektrik tizimda ishlatiladigan quyosh batareyalarining samaradorligi, kenglik va iqlim bilan birgalikda tizimdagi yillik energiya ishlab chiqarishni belgilaydi. Masalan, samaradorligi 20% va maydoni 1 m2 bo‘lgan quyosh paneli standart sinov sharoitida 200 vatt ishlab chiqaradi, ammo quyosh osmonda baland bo‘lsa, bulutli sharoitda kamroq bo‘lsa yoki quyosh osmonda past bo‘lsa, u ko‘proq ishlab chiqarishi mumkin. Yillik insolatsiyani kuniga 5,5 kVt / m2 (yoki 230 Vt / m2) oladigan Kolorado shtatining markazida bunday panel yiliga 440 kVt / soat energiya ishlab chiqarishi mumkin. Biroq, kuniga atigi 3,8 kVt / m2 / soat oladigan Michigan shtatida, yillik energiya samaradorligi xuddi shu panel uchun 280 kVt / soatgacha pasayadi. Ko‘proq shimoliy Evropa kengliklarida hosil sezilarli darajada pastroq: Angliyaning janubida yillik energiya ishlab chiqarishning 175 kVt / s.
Quyosh elementining konversiya samaradorligiga bir nechta omillar ta'sir qiladi, shu jumladan uning aks ettirish samaradorligi, termodinamik samaradorligi, tashuvchini ajratish samaradorligi va o‘tkazuvchanlik samaradorligi qiymatlari. Ushbu parametrlarni to‘g‘ridan-to‘g‘ri o‘lchash qiyin bo‘lishi mumkinligi sababli, uning o‘rniga boshqa parametrlar, shu jumladan kvant samaradorligi, VOC nisbati va ish aylanishi o‘lchanadi. Ko‘zgu yo‘qotishlari kvant samaradorligining kattaligi bilan hisobga olinadi, chunki ular "tashqi kvant samaradorligiga" ta'sir qiladi. Rekombinatsiyadagi yo‘qotishlar kvant samaradorlik koeffitsienti, uchuvchan organik birikmalar va plomba omillari bilan hisobga olinadi. Rezistiv zararlar asosan ish tsikli qiymati bilan hisobga olinadi, shuningdek kvant samaradorligi va VOC qiymatlariga yordam beradi.
2014 yil dekabr holatiga ko‘ra, Soitec, CEA-Leti, Frantsiya va Germaniyaning Fraunhofer ISE tomonidan birgalikda ishlab chiqilgan ko‘p kontaktli konsentrlangan quyosh xujayralari yordamida 46,0% quyosh batareyalari samaradorligi bo‘yicha jahon rekordiga erishildi.
Energiya konversiyasining samaradorligiga ta'sir qiluvchi omillar
Energiya konversiyasining samaradorligiga ta'sir qiluvchi omillar 1961 yilda Uilyam Shokli va Xans Kisserlarning muhim maqolasida bayon etilgan. Tafsilotlar uchun Shockley-Kisser Limit-ga qarang.
Termodinamik samaradorlik chegarasi va cheksiz stek chegarasi
Agar issiqlik manbai Ts haroratida va sovutgich sovutgich Tc haroratda bo‘lsa, u holda issiqlik etkazib berish natijasida olingan ish (yoki elektr quvvati) nisbati uchun nazariy jihatdan mumkin bo‘lgan qiymat Carnot issiqlik dvigateli tomonidan berilgan 1-Tc / Ts ni tashkil qiladi. Quyoshning harorati va Yerdagi atrof-muhit sharoitlari uchun 300 K, bu 95% ga etadi. 1981 yilda Aleksis de Vos va Herman Pauvellar buni cheksiz sonli hujayralar to‘plami bilan (cheksiz keladigan fotonlar duch keladigan birinchi hujayralar) nolga, har bir hujayradagi kuchlanish esa 95 ta ochiq elektron zo‘riqishida bo‘lishiga erishish mumkinligini ko‘rsatdilar. Ushbu hujayradagi tarmoqli bo‘shliqning% va 6000 K qora energiya bilan har tomondan keladi. Shu bilan birga, erishilgan 95% samaradorlik shuni anglatadiki, elektr quvvati so‘rilgan yorug‘likning 95% ni tashkil qiladi - stack radiatsiya chiqaradi, chunki u nolga teng bo‘lmagan haroratga ega va bu nurlanish o‘tkaziladigan issiqlik miqdorini hisoblashda kiruvchi nurlanishdan chiqarilishi kerak va samaradorlik. Shuningdek, ular 6000K qora tanli nurlanish bilan har tomondan yoritilgan stek uchun quvvatni maksimal darajada oshirishning dolzarb muammolarini ko‘rib chiqdilar.Bu holda, kuchlanish bandgapning 95% dan kamigacha kamaytirilishi kerak (foiz barcha hujayralar bo‘yicha doimiy emas). Kiruvchi quyosh radiatsiyasidan foydalangan holda cheksiz hujayralar to‘plami uchun maksimal nazariy samaradorlik 86,8% ni tashkil qiladi. Kiruvchi radiatsiya faqat osmon mintaqasidan kelganida, quyoshning kattaligi 68,7% gacha pasayadi.
Maksimal samaradorlik
Biroq, normal fotoelektr tizimlarida faqat bitta pn o‘tish mavjud va shuning uchun Shokli va Kisserning "marginal samaradorligi" deb nomlangan past samaradorlik chegarasi mavjud. Yutish materialining tarmoqli oralig‘idan past bo‘lgan energiyaga ega fotonlar elektron teshik juftligini hosil qila olmaydi, shuning uchun ularning energiyasi foydali chiqishga aylanmaydi va faqat so‘rilgan taqdirda issiqlik hosil qiladi. Energiya tarmoqli oralig‘idan yuqori bo‘lgan fotonlar uchun tarmoqli bo‘shliqdan yuqori bo‘lgan energiyaning faqat bir qismi foydali chiqishga aylanishi mumkin. Yuqori energiyali foton yutilganda, tasma oralig‘idan ortiqcha energiya tashuvchi birikmaning kinetik energiyasiga aylanadi. Ortiqcha kinetik energiya, tashuvchilarning kinetik energiyasi muvozanat tezligiga sekinlashganda fononning o‘zaro ta'siri orqali issiqlikka aylanadi. An'anaviy bitta o‘tish xujayralari maksimal nazariy samaradorlikka ega 33,16%.
Ko‘p tarmoqli bo‘shliq yutuvchi materiallarga ega quyosh xujayralari quyosh spektrini kichikroq qutilarga bo‘lish orqali samaradorlikni oshiradi, bu erda termodinamik samaradorlik har bir axlat qutisi uchun yuqori bo‘ladi.
Kvant samaradorligi
Yuqorida tavsiflanganidek, foton quyosh xujayrasi tomonidan so‘rilganida, u elektron teshikli juftlikni hosil qilishi mumkin. Tashuvchilardan biri pn birikmasiga etib borishi va quyosh xujayrasi tomonidan hosil bo‘ladigan oqimga hissa qo‘shishi mumkin; bunday vosita to‘planmoqda deb ishoniladi. Shu bilan bir qatorda, tashuvchilar hujayra oqimiga aniq hissa qo‘shmasdan rekombinatsiya qilishadi.
Kvant samaradorligi deganda hujayra qisqa tutashuv sharoitida ishlaganda elektr tokiga (ya'ni yig‘ilgan tashuvchilarga) aylanadigan fotonlar ulushi tushuniladi. Kremniy quyosh xujayrasining "tashqi" kvant samaradorligi uzatish va aks ettirish kabi optik yo‘qotish ta'sirini o‘z ichiga oladi.
Xususan, ushbu yo‘qotishlarni kamaytirish uchun siz ba'zi choralarni ko‘rishingiz mumkin. To‘liq tushgan nurlanish energiyasining 10 foizini tashkil etishi mumkin bo‘lgan aks ettirish yo‘qotilishi, to‘qimalarning teksturasi deb nomlangan usul yordamida, yorug‘likning o‘rta yo‘lini o‘zgartiradigan yorug‘lik olish usuli yordamida keskin kamayishi mumkin.
Kvant samaradorligi spektral o‘lchov sifatida eng samarali tarzda ifodalanadi (ya'ni foton to‘lqin uzunligi yoki energiyasining funktsiyasi sifatida). Ba'zi to‘lqin uzunliklari boshqalarga qaraganda samaraliroq singdirilganligi sababli, kvant samaradorligining spektral o‘lchovlari Yarim o‘tkazgich massasi va sirtlarining sifati to‘g‘risida qimmatli ma'lumotlarni berishi mumkin. Faqatgina kvant samaradorligi umumiy energiyani konversiyalash samaradorligi bilan bir xil emas, chunki u quyosh xujayrasi tomonidan konvertatsiya qilinadigan quvvat fraktsiyasi haqida ma'lumot bermaydi.