solární články

nyní pro více podrobností…

to je základní úvod do solárních článků—a pokud je to vše, co jste chtěli, můžete se zastavit zde.Zbytek tohoto článku jde do další podrobnosti o různých typů solárních článků, howpeople jsou uvedení solární energie na praktické využití, a proč solární energie trvá tak dlouho tocatch na.

jak efektivní jsou solární články?

Graf: Účinnost solárních článků ve srovnání: první solární mobil poškrábaný na pouhých 6 procent účinnosti; nejúčinnější ten, který je vyráběn k dnešnímu dni podařilo, 46 procent v laboratorních podmínkách. Většina buněk jsou typy první generace, které dokážou zvládnout asi 15 procent teoreticky a pravděpodobně 8 procent v praxi.

základní pravidlo fyziky nazývá zákon o zachování energie saysthat nemůžeme mávnutím kouzelného proutku vytvořit energii, nebo aby to zmizí do thinair; vše, co můžeme udělat, je převést z jedné formy na jinou. To znamená, že solární článek nemůže produkovat více elektrické energie, než je každou sekundu jako světlo. V praxi,jak brzy uvidíme, většina článků přeměňuje asi 10-20 procent energie, kterou přijímají, na elektřinu. Typický, single-junction silicon solarcell má teoretickou maximální účinnost o 30 procent, známý jako theShockley-Queisser limit. To je v podstatě proto, sunlightcontains široké směs fotonů různých vlnových délek andenergies a nějaké single-junction solar cell bude optimalizována tocatch fotony pouze v určitém frekvenčním pásmu, plýtvání ostatní.Některé fotony zarážející, solární články nemají enoughenergy vyřadit elektronů, takže jsou účinně zbytečný, whilesome mít příliš mnoho energie, a přebytek je také zbytečný. Ty nejmodernější laboratorní buňky dokážou zvládnout 46 procent efektivity v naprosto dokonalých podmínkách za použití více spojů k zachycení fotonů různých energií.

reálné tuzemské solární panely by mohly dosáhnout účinnosti kolem 15 procent, dejme tomu procentní bod sem nebo tam, a to se pravděpodobně nezlepší.První generace, single-junction solar cells nejsou approachthe 30 procent účinnosti Shockley-Queisser limit, nikdy mindthe laboratoře záznam o 46 procent. Všechny druhy otravné reálném světě faktory budou jíst do jmenovité účinnosti,včetně výstavby z panelů, jak jsou umístěny andangled, zda jsou ve stínu, jak vyčistit si udržet je, howhot dostanou (zvyšující se teploty mají tendenci ke snížení jejich účinnosti),a zda jsou větrané (umožňuje cirkulaci vzduchu pod)aby jim v pohodě.

Druhy fotovoltaických solárních článků

Většina solárních článků, uvidíte na střechách dnes jsou vlastně běžné jen silicon sendviče, speciálně upravené („dopované“), aby se jim lépe elektrických vodičů. Vědci odkazují na tytoklasické solární články jako první generace, do značné míry je odlišují od dvou různých, modernějších technologií známých jako druhá a třetí generace. Tak v čem je rozdíl?

První generace

Fotografie: barevné kolekce z první generace solárních článků.Obrázek se svolením NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

asi 90 procent světových solárních článků je vyrobeno z krystalického křemíku (zkráceně c-Si), nakrájeného na velké ingoty, které se pěstují v super čistých laboratořích v procesu, který můžetrvá až měsíc. Ingoty mají buď tvarjediné krystaly (monokrystalické nebo mono-si) nebo obsahují více krystalů (polykrystalické, multi-Si nebo poly c-Si). Solární články první generace fungují jako v krabici nahoře: používají jedno jednoduché spojení mezi křemíkovými vrstvami typu n A typu p, které jsou krájeny z oddělených ingotů. Takže n-typ ingotu bude ze strany topení chunksof křemíku s malým množstvím fosforu, antimonu nebo arsenu jako příměsi, zatímco p-typ ingotu by použití boru jako příměsi.Plátky křemíku typu n A P se pak roztaví, aby se vytvořila funkce. Pár dalších zvonky a píšťalky, jsou přidány (jako anantireflective povlak, který zlepšuje absorpce světla a givesphotovoltaic buněk, jejich charakteristické modré barvy, ochranné glasson přední a plastové podložky a kovové připojení, takže buňka může zapojen do obvodu), ale jednoduchý p-n junction je podstatou ofmost solárních článků. To je docela hodně, jak všechny fotovoltaické křemíkové solarcells pracoval od roku 1954, které bylo, když vědci v Bell Labspioneered technologie: zářící slunce na křemíku extrahované fromsand, oni generované elektřiny.

druhá generace

Foto: tenkovrstvý solární panel druhé generace.“Film generující energii je vyroben z amorfního křemíku, připevněný k tenké, pružné a relativně levné plastové podložce („substrát“).Foto Warren Gretz s laskavým svolením NREL (ID obrázku #6321083).

klasické solární články jsou relativně tenké destičky-obvykle afrakce milimetru hluboká (asi 200 mikrometrů, 200µm nebo tak).Ale jsou to absolutní desky ve srovnání s druhou-generationcells, populárně známý jako thin-film solární články (TPSC) nebotenké-film photovoltaics (TFPV), které jsou o 100 timesthinner znovu (několik mikrometrů nebo miliontin metru hluboké).Ačkoli většina jsou stále vyráběny z křemíku (jiné podobě známé asamorphous křemíku a-Si, ve které atomy jsou uspořádány náhodně namísto právě objednal v pravidelné krystalické struktury), některé aremade z jiných materiálů, zejména cadmium-telluride (Cd-Te) andcopper indium gallium diselenide (CIGS). Protože jsou extremelythin, lehké a flexibilní, druhé generace solárních článků může belaminated na okna, světlíky, střešní tašky, všechny druhy“substráty“ (podkladovém materiálu), včetně kovů, skla a polymerů (plastů). Co buňky druhé generace získají flexibilitou, obětují neefektivnost: klasické solární články první generace je stále překonávají. Takže zatímco top-zářez první generace buněk může dosáhnout anefficiency 15-20 procent, amorfní křemík se snaží dostat above7 procent, nejlepší tenký-film Cd-Te buňky spravovat pouze o 11percent, a CIGS buňky udělat nic lepšího, než 7-12 procent. To je jeden z důvodů, proč i přes své praktické výhody mají buňky druhé generace zatím relativně malý dopad na solární trh.

třetí generace

fotografie: Plastové solární články třetí generace vyráběné vědci v Národní laboratoři obnovitelné energie.Foto Jack Dempsey s laskavým svolením NREL (ID obrázku #6322357).

nejnovější technologie kombinují nejlepší vlastnosti buněk první adruhá generace. Stejně jako buňky první generace slibujírelativně vysoká účinnost (30 procent nebo více). Likesecond-generaci buněk, jsou více pravděpodobné, že bude provedena frommaterials jiné, než „jednoduchý“ silicon, jako je například amorfní křemík,organické polymery (organické fotovoltaiky, OPVs), perovskite krystaly,a mají více uzlů (vyrobené z několika vrstev různých semiconductingmaterials). V ideálním případě by byly levnější,efektivnější a praktičtější než buňky první nebo druhé generace.V současné době je účinnost světového rekordu pro solaris třetí generace 28 procent, dosažená tandemovým solárním článkem perovskit-křemík v prosinci 2018.

kolik energie můžeme udělat se solárními články?

teoreticky obrovské množství. Zapomeňme na solární článkya jen zvažte čisté sluneční světlo. Až 1000 wattů syrové solární powerhits každý čtvereční metr Země směřující přímo na Slunce (to je teoretický výkon přímé polední sluneční světlo na acloudless den—s sluneční paprsky střelby kolmo k Zemi’ssurface a dává maximální osvětlení nebo oslunění, jako je’stechnically známo). V praxi, poté, co jsme opravili náklon planety a denní dobu, je nejlepší, co pravděpodobně získáme, možná 100-250 wattů na metr čtvereční v typických severních zeměpisných šířkách(dokonce i v bezmračném dni). To se promítá do cca 2-6 kWh za den (podle toho, zda jste v severní oblasti, jako je Kanada nebo Skotsko, nebo někde více obligátní, jako je Arizona nebo Mexiko).Násobení celoroční produkce nám dává nějakých 700 až 2500 kWh na metr čtvereční(700-2500 jednotek elektřiny). Teplejší regiony mají zjevně mnohem větší sluneční energiipotenciál: například Blízký východ dostává každý rok o 50–100 procent užitečnější sluneční energie než Evropa.

bohužel, typické solární články jsou jen asi 15% efektivní, takže můžeme zachytit pouze zlomek této teoretické energie. To je důvod, proč solární panely musí být tak velký: množství ofpower můžete udělat, je samozřejmě přímo úměrná tomu, kolik prostoru můžete dovolit pokrýt s buňkami. Jeden solární článek (zhruba sizeof kompaktní disk) může generovat asi 3-4.5 w; typická solarmodule z řady o 40 buněk (5 řádků 8cells) mohl udělat o 100 až 300 wattů; několik solárních panelů, každý z asi 3-4 modulů, by proto mohlo generovat absolutemaximum několika kilowattů (pravděpodobně jen tolik, aby vyhovovaly potřebám domácí energie).

a co solární farmy?

Foto: drtivá 91-hektar (225-akr) Alamosa Solárních Projektů v Coloradu generuje až 30 megawattů solární energie pomocí tří mazaný triky. Za prvé, existuje obrovské množství fotovoltaických panelů (500 z nich, každý schopný výroby 60kW). Každý panel je namontován na samostatné rotující sestavě, takže může sledovat slunce po obloze.A každý má nahoře namontováno několik Fresnelových čoček, které koncentrují sluneční paprsky na své solární články.Foto Dennis Schroeder s laskavým svolením NREL (ID obrázku #10895528).

ale předpokládejme, že chceme udělat opravdu velké množství solarpower. Chcete–li vyrobit tolik elektřiny jako statná větrná turbína (svýkon výkonu možná dva nebo tři megawatty), potřebujete asi500-1000 solárních střech. A soutěžit s velké uhelné či jaderné energetiky rostlin (hodnocené v gigawattů, což znamená tisíc megawattsor miliardy wattů), budete potřebovat 1000 krát tolik znovu—stejné asi 2000 větrných turbín nebo snad milion solárních střech. (Tato srovnání předpokládají, že naše sluneční a větrné produkují maximální výkon.I když jsou solární články čistými a účinnými zdroji energie, jedna věc, o které v tuto chvíli nemohou tvrdit, že jsou, je efektivní využívání půdy. Dokonce i ty velké solární farmy nyní prýštící všude vyrábějí pouze skromné množství energie (obvykle asi 20 mw, nebo o 1 procento asmuch jak je velké, 2 gigawattové uhelné nebo jaderné elektrárny). UK renewablecompany Ecotricity odhaduje, že to trvá asi 22.000 panely položil přes a12-hektar (30-akr) stránky vytvářet 4.2 megawattů energie, což je zhruba stejně jako dva velké windturbines a dost energie než 1200 domů.

Moc lidí

fotografie: Mikro větrná turbína a solární panel společně pracovat na power bank baterie udrží tento výstavby dálnice výstražné znamení rozzáří den a noc. Solární panel je namontován směrem k obloze, na plochém žlutém „víku“ můžete vidět jen na horní straně displeje.

někteří lidé se obávají, že solární farmy budou pohlcovat půdu, kterou potřebujeme pro skutečné zemědělství a výrobu potravin. Pokud se bavíme o uvádění solárních panelů na domácí střechy, chybí zásadní bod. Ekologové by se argumentovat, že skutečný bod solární energie není k vytvoření velké, centralizedsolar elektráren (tak silný utilities může jít na sellingelectricity se bezmocní lidé na vysoký zisk), ale displacedirty, neefektivní, centralizované elektrárny tím, že lidé tomake moci sami na místě, kde ji používají. Thateliminates neefektivnost výroby energie z fosilních paliv, znečištění vzduchu a oxidu uhličitého, které dělají, a také dělá pryč s neúčinnosti přenosu energie z hlediska ofgeneration k místu použití pomocí nadzemní nebo podzemní rozvody elektrické energie. I když budete muset pokrytí celé střechy se solárními panely(nebo laminát thin-film solární články na všechny vaše windows), pokud se vám couldmeet celé vaše potřeby elektřiny (nebo dokonce velká část z nich), bylo by to jedno: vaše střecha je jen zbytečný prostor stejně.Podle 2011 zprávy Evropské Fotovoltaické IndustryAssociation a Greenpeace, je tu žádná skutečná potřeba na pokrytí valuablefarmland s solární panely: kolem 40 procent všech střech a 15percent fasád budov v zemích EU by bylo vhodné pro PVpanels, což by znamenalo zhruba 40 procent totalelectricity poptávky do roku 2020.

je důležité nezapomínat, že solární energie přesouvá výrobu do bodu spotřeby energie—a to má velké praktické výhody. Solární náramkové hodinky a kalkulačky theoreticallyneed žádné baterie (v praxi, mají baterie zálohování) amnoho z nás by vychutnat sluneční-poháněl smartphony, které nikdy neededcharging. Silniční a železniční značky jsou nyní někdy solární; blikající značky nouzové údržby mají často namontované solární panely, takže je lze nasadit i na nejvzdálenějších místech. V rozvojových zemích, bohatých na sluneční světlo, ale chudí v electricalinfrastructure, solární panely pohánějící vodní čerpadla, telefonní boxy a ledničky v nemocnicích a klinikách.

proč se solární energie ještě nezachytila?

odpověď na to je směs ekonomických, politických a technických faktorů. Z ekonomického hlediska ve většinězemě, elektřina vyrobená solárními panely je stále dražší než elektřina vyrobená spalováním špinavých, znečišťujících fosilních paliv. Svět má obrovské investice v fossilfuel infrastruktury, a i když mocné ropné společnosti dabbledin solární energie odnože, se zdá, že mnohem větší zájem inprolonging životnost stávajících zásob ropy a zemního plynu withtechnologies jako je frakování (hydraulické štěpení). Politicky, ropy, plynu a uhelných společností, jsou enormouslypowerful a nejvlivnějších a odolat druh environmentalregulations, že prospěch obnovitelných technologií, jako jsou solární a větrné energie. Technologicky, jak jsme již viděli, solární články jsoutrvalá „nedokončená práce“ a velká část světové solární investiceinvestice je stále založena na technologii první generace. Kdo ví,možná to bude trvat ještě několik desetiletí, než nedávné scientificadvances, aby se obchodní případ pro sluneční opravdu přesvědčivé?

Jeden problém s argumenty tohoto druhu je, že váží až onlybasic ekonomické a technologické faktory a nedokáží uvažovat thehidden environmentální náklady věcí, jako jsou úniky ropy,znečištění ovzduší, půdy, ničení z těžby uhlí, nebo klimatu—a zejména budoucí náklady, které jsou obtížné nebo možné předvídat. Je naprosto možné, že rostoucí povědomí o těchto problémech urychlí přechod od fosilních paliv, i když neexistují žádné další technologické pokroky; jinými slovy, může přijít doba, kdy si již nemůžeme dovolit odkládat univerzální přijetí obnovitelné energie. Nakonec jsou všechny tyto faktoryvzájemně. S přesvědčivým politickým vedením by se svět mohl zítra zavázat k solární revoluci: politika by mohla vynutit technologická zlepšení, která změní ekonomiku solární energie.

a ekonomie sama o sobě by mohla stačit. Tempo technologie, inovace ve výroběvýroba a úspory z rozsahu nadále snižují náklady na solární články a panely. Mezi roky 2008 a 2009 sám, podle BBC prostředí analystRoger Harrabin,ceny klesly asi o 30 procent, a v Číně je rostoucí dominance solární manufacturinghas nadále řídit je dolů od té doby.Mezi lety 2010 a 2016, náklady na large-scale photovoltaics fellby o 10 až 15 procent ročně, v závislosti na US Energy Information Administration; celková cena přechodu na solární klesla o zhruba 90 procent v posledních deseti letech, další tmelení Číny přilnavost na trhu. Šest z deseti největších světových výrobců solárních elektráren je nyní Číňanů; v roce 2016 pocházely přibližně dvě třetiny nové sluneční kapacity USA z Číny, Malajsie a Jižní Koreje.

foto: solární články nejsou jediným způsobem, jak vyrobit energii ze slunečního světla-nebo dokonce nutně nejlepším způsobem. Můžeme také použít solární tepelnou energii (absorbující teplo ze slunečního světla k ohřevu vody ve vaší domácnosti), pasivní solární (navrhování budovy k absorpci slunečního světla) a solární kolektory (viz zde). V této verzi je 16 zrcadelsbírat sluneční světlo a soustředit ho na Stirlingův motor(šedá skříňka vpravo), což je mimořádně účinný výrobce energie. Foto Warren Gretz s laskavým svolením NREL (ID obrázku #6323238).

dohání rychle?

bod zvratu pro solární očekává se, že dorazí, když to canachieve něco tzv. grid parity, což znamená, thatsolar elektřiny chovej se stává jako levné aspower si koupit ze sítě. Mnoho evropských zemí očekává, že tento milník dosáhnedosáhnout do roku 2020. Solar má jistě publikováno veryimpressive tempa růstu v posledních letech, ale je důležité toremember, že to stále představuje jen zlomek z celkového worldenergy. Například ve Velké Británii se solární průmysl chlubil“milníkem“ v roce 2014, kdy téměř zdvojnásobil celkovou instalovanou kapacitu solárních panelů ze zhruba 2,8 GW na 5 GW. Ale stále představuje pouze několik velkých elektráren a, atmaximum výstup, pouhých 8 procent ve velké BRITÁNII totalelectricity poptávky o zhruba 60 GW (factoring ve věci likecloudiness by to zredukovat na nějaký zlomek z 8 procent).

Podle amerického Energy Information Administration,ve Spojených Státech, kde fotovoltaické technologie byla vynalezena, od roku 2018, solární představuje pouze 1,6 procent země celkové výrobě elektřiny.To je o 23 procent se od roku 2017 (kdy solární byl 1,3 procenta), 80 procent až na rok 2016 (když to bylo 0,9 procenta)a asi čtyři krát tolik jako v roce 2014 (kdy sluneční činila pouhých 0,4 procenta).Přesto je to stále asi 20krát méně než uhlía 40krát méně než všechna fosilní paliva. Jinými slovy, i desetinásobný nárůst americké solární energie by znamenal, že produkuje ne více než polovinu elektřiny než uhlí dnes (10 × 1,6 = 16 procent, oproti 27,4 procenta u uhlí v roce 2018). To’stelling na vědomí, že dva z hlavních světových roční energie recenze,BP Statistical Review of World Energy, a InternationalEnergy Agentury Key World Energy Statistics, sotva zmínit, solarpower, jen jako poznámka pod čarou.

Graf: solární energie vyrábí každý rok více naší elektřiny, ale stále nikde poblíž stejně jako uhlí. Tento graf porovnává procento elektřiny vyrobené ve Spojených státech společností solarpower (zelená čára) a uhlí (červená čára). V některých zemích je situace lepší a v jiných horší.Tažené explainthatstuff.com s využitím historických a aktuálních údajů z US Energy Information Administration.

změní se to v dohledné době? Prostě by mohlo. Podle 2016 papíru výzkumníci z Oxford University,cena solární energie je nyní klesá tak rychle, že je na kurzu je poskytnout 20 percentof světových energetických potřeb do roku 2027, což by byl krok změnit z místa, kde jsme dnes,a mnohem rychlejší tempo růstu, než má někdo dříve předpokládalo. Může toto tempo růstu pokračovat? Mohla by sluneční energie skutečně změnit změnu klimatu, než bude příliš pozdě? Sledujte tento prostor!

stručná historie solárních článků

• 1839: Francouzský fyzik Alexandre-Edmond Becquerel (otec radioaktivity průkopník Henri Becquerel) zjistí, že některé kovy jsou fotoelektrické: vyrábějí elektřinu, když jsou vystaveny světlu.
• 1873: anglický inženýr Willoughby Smith se zjistí, že selen je zvláště účinná fotoválce (později používán Chester Carlson v jeho vynález kopírky).
• 1905: německý fyzik Albert Einstein zjistí fyziku fotoelektrického efektu, objev, který mu nakonec vynese Nobelovu cenu.
• 1916: Americký fyzik Robert Millikan experimentálně dokazuje Einsteinovu teorii.
• 1940: Russell Ohl z Bell Labs náhodou zjistí, že dopovaný spojovací polovodič bude při vystavení světlu produkovat elektrický proud.
• 1954: Bell Labs vědci Daryl Chapin, Calvin Fuller, a Gerald Pearson udělat první praktické fotovoltaických křemíkových solárních článků, což je o 6 procent efektivní (novější verze spravuje 11 procent). Svůj vynález—původně nazývaný „solární baterie“—oznamují 25. dubna.
• 1958: Vesmírné satelity Vanguard, Explorer a Sputnik začínají používat solární články.
• 1962: 3600 solárních baterií Bell se používá k napájení Telstar, průkopnického telekomunikačního satelitu.
• 1997: Americká federální vláda oznamuje svou iniciativu Million Solar Roofs initiative-postavit do roku 2010 milion solárních střech.
• 2002: NASA uvádí na trh své Sluneční Letadlo Pathfinder Plus.
• 2009: vědci zjistili, že krystaly perovskitu mají velký potenciál jako fotovoltaické materiály třetí generace.
• 2014: Spolupráce mezi německými a francouzskými vědci vytváří nový rekord 46 procent účinnosti pro čtyř-křižovatka solárních článků.
• roku 2020: Solární články se předpokládá dosažení grid parity (solární elektřiny uděláte sami bude tak levné, jak moc si koupíte od sítě).
• 2020: Perovskit-křemíkové články slibují velké zvýšení sluneční účinnosti.