Energia w

ś

rodowisku

Energia w

ś

rodowisku

(7)

(7)

Zamiana energii słonecznej na energi

ę

Zamiana energii słonecznej na energi

ę

elektryczn

ą

elektryczn

ą

Zamiana

Zamiana

najbardziej

najbardziej

zasobnego źródła

zasobnego źródła

energii pierwotnej

energii pierwotnej

na najbardziej

na najbardziej

uniwersalną formę

uniwersalną formę

energii finalnej

energii finalnej

Instalacje o dużej

Instalacje o dużej

jednostkowej mocy

jednostkowej mocy

Zjawiska fizyczne:

Zjawiska fizyczne:

Zamiana energii

Zamiana energii

słonecznej na energi

ę

elektryczn

ą

słonecznej na energi

ę

elektryczn

ą

Konwersja poprzez energię cieplną: Absorpcja

Konwersja poprzez energię cieplną: Absorpcja

promieniowania słonecznego a następnie zamiana

promieniowania słonecznego a następnie zamiana

ciepła na energię elektryczną

ciepła na energię elektryczną

Generator termoelektronowy: Termoemisja czyli

Generator termoelektronowy: Termoemisja czyli

emisja elektronów w wysokich temperaturach

emisja elektronów w wysokich temperaturach

Zjawisko termoelektryczne: Złącza dwóch

Zjawisko termoelektryczne: Złącza dwóch

różnych przewodników w różnych temperaturach

różnych przewodników w różnych temperaturach

Efekt fotoelektryczny

Efekt fotoelektryczny

Konwersja fotowoltaniczna: Wewnętrzny efekt

Konwersja fotowoltaniczna: Wewnętrzny efekt

fotoelektryczny w diodzie półprzewodnikowej

fotoelektryczny w diodzie półprzewodnikowej

Konwersja poprzez energi

ę

ciepln

ą

Konwersja poprzez energi

ę

ciepln

ą

Większość energii elektrycznej na świecie pochodzi z

Większość energii elektrycznej na świecie pochodzi z

prądnic prądu zmiennego napędzanych różnymi silnikami

prądnic prądu zmiennego napędzanych różnymi silnikami

cieplnymi. Następuje w nich zamiana energii cieplnej na

cieplnymi. Następuje w nich zamiana energii cieplnej na

elektryczną.

elektryczną.

Potrafimy zamienić energię słoneczną na ciepło. Możemy to

Potrafimy zamienić energię słoneczną na ciepło. Możemy to

ciepło dalej zamienić na energię elektryczną tak jak w

ciepło dalej zamienić na energię elektryczną tak jak w

konwencjonalnych elektrowniach.

konwencjonalnych elektrowniach.

Problem wydajności:

Problem wydajności:

Maszyna cieplna ma małą wydajność. M

Maszyna cieplna ma małą wydajność. M

aksymalnie

aksymalnie

η

η

= (T

= (T

1

1

-

-

T

T

2

2

)/T

)/T

1

1

T

T

1

1

–

–

temperatura źródła (np. 450 K)

temperatura źródła (np. 450 K)

T

T

2

2

–

–

temperatura chłodnicy ok. 300 K

temperatura chłodnicy ok. 300 K

η

η

max

max

= 1/3

= 1/3

Konieczne wytworzenie energii cieplej przy jak najwyższej

Konieczne wytworzenie energii cieplej przy jak najwyższej

temperaturze T

temperaturze T

1

1

Konwersja poprzez energi

ę

ciepln

ą

Konwersja poprzez energi

ę

ciepln

ą

Temperatura równowagi, do której zwykle

Temperatura równowagi, do której zwykle

nagrzewają się ciała absorbujące promieniowanie

nagrzewają się ciała absorbujące promieniowanie

słoneczne jest zbyt niska nawet przy

słoneczne jest zbyt niska nawet przy

zastosowaniu selektywnego absorbenta

zastosowaniu selektywnego absorbenta

Konieczne jest użycie zwierciadeł, które

Konieczne jest użycie zwierciadeł, które

zwielokrotniają n razy strumień energii w miejscu

zwielokrotniają n razy strumień energii w miejscu

absorbenta. Wtedy

absorbenta. Wtedy

α

α

n

n

P =

P =

ε σ

ε σ

T

T

r

r

4

4

i

i

temperatura równowagi rośnie w zależności od n

temperatura równowagi rośnie w zależności od n

Różne rozwiązania techniczne układu zwierciadeł

Różne rozwiązania techniczne układu zwierciadeł

koncentrujacych promieniowanie słoneczne

koncentrujacych promieniowanie słoneczne

Koncentracja promieniowania słonecznego

Koncentracja promieniowania słonecznego

w elektrowniach słonecznych

w elektrowniach słonecznych

Trzy wersje elektrownii:

Trzy wersje elektrownii:

-

-

wyposażonej w wieżę i pole zwierciadeł płaskich

wyposażonej w wieżę i pole zwierciadeł płaskich

-

-

wyposażonej w sieć zwierciadeł o kształcie rynny i

wyposażonej w sieć zwierciadeł o kształcie rynny i

przekroju paraboli

przekroju paraboli

-

-

z jednym dużym zwierciadłem parabolicznym

z jednym dużym zwierciadłem parabolicznym

Schemat elektrownii słonecznej z płaskimi

Schemat elektrownii słonecznej z płaskimi

zwierciadłami

zwierciadłami

Nośnikiem energii cieplej są stopione sole lub stopione
metale. W innych typach elektrowni nośnikiem może być
woda pod wysokim ciśnieniem, glikol, olej syntetyczny
lub inny płyn chłodzący.

Elektrownia słoneczna z płaskimi

Elektrownia słoneczna z płaskimi

zwierciadłami

zwierciadłami

Elektrownia
z płaskimi
zwierciadłami
w Australii.
Elektrownia
wymaga
poruszania
każdym
zwierciadłem
oddzielnie
zgodnie z
położeniem
słońca na niebie

Działanie zwierciadła o przekroju paraboli

Działanie zwierciadła o przekroju paraboli

Promieniowanie
słoneczne odbija się od
zwierciadła tak, że jest
ogniskowane w
miejscu, w którym
znajduje się rurka z
materiału
absorbujacego
promieniowanie. Rurką
płynie ciecz odbierająca
ciepło.

Schemat elektrownii słonecznej ze

Schemat elektrownii słonecznej ze

zwierciadłami parabolitycznymi

zwierciadłami parabolitycznymi

Działanie zwierciadła o przekroju paraboli

Działanie zwierciadła o przekroju paraboli

Zwierciadło jest nieruchome bo promieniowanie niezależnie
od położenia słońca zawsze trafia po odbiciu w rurkę
znajdującą się w podłużnym ognisku

Elektrownie słoneczne ze zwierciadłami

Elektrownie słoneczne ze zwierciadłami

o przekroju paraboli

o przekroju paraboli

Największa
instalacja
absorbująca
promieniowa-
nie słoneczne
w Kalifornii

Elektrownie słoneczne ze zwierciadłami

Elektrownie słoneczne ze zwierciadłami

o przekroju paraboli

o przekroju paraboli

Elektrownia ze
zwierciadłami
parabolitycznymi w
stanie Nevada

Elektrownie słoneczne ze zwierciadłami

Elektrownie słoneczne ze zwierciadłami

rynnowymi o przekroju paraboli

rynnowymi o przekroju paraboli

„

„

Trough systems”

Trough systems”

–

–

Systemy rynnowe dominują obecnie

Systemy rynnowe dominują obecnie

wśród komercyjnych elektrowni słonecznych

wśród komercyjnych elektrowni słonecznych

Paraboliczny kszałt rynny ogniskuje w miejscu przewodu

Paraboliczny kszałt rynny ogniskuje w miejscu przewodu

promieniowanie słoneczne od 30 do 60 razy w porównaniu

promieniowanie słoneczne od 30 do 60 razy w porównaniu

z normalnym natężeniem

z normalnym natężeniem

Nośnikiem ciepła jest olej syntetyczny osiągający

Nośnikiem ciepła jest olej syntetyczny osiągający

temperaturę do 390

temperaturę do 390

o

o

C

C

Pompy pompują olej do wymiennika ciepła. Ciepło

Pompy pompują olej do wymiennika ciepła. Ciepło

przekazywane jest wodzie krążacej w obiegu wtórnym,

przekazywane jest wodzie krążacej w obiegu wtórnym,

która zamienia się w parę wodną

która zamienia się w parę wodną

Para wodna porusza konwencjonalną turbinę i wytwarza

Para wodna porusza konwencjonalną turbinę i wytwarza

prąd elektryczny

prąd elektryczny

Elektrownie słoneczne ze zwierciadłami

Elektrownie słoneczne ze zwierciadłami

parabolitycznymi

parabolitycznymi

Duże zwierciadło pozwala

Duże zwierciadło pozwala

zogniskować

zogniskować

promieniowanie słoneczne

promieniowanie słoneczne

w prawie punktowym

w prawie punktowym

ognisku (rozmiar obrazu

ognisku (rozmiar obrazu

tarczy słońca) i osiągnąć

tarczy słońca) i osiągnąć

bardzo wysoką

bardzo wysoką

temperaturę

temperaturę

Większa wydajność

Większa wydajność

zamiany energii cieplnej

zamiany energii cieplnej

na elektrycznę

na elektrycznę

Większy koszt urządzenia,

Większy koszt urządzenia,

mała moc jednej instalacji

mała moc jednej instalacji

Du

ż

e termiczne elektrownie słoneczne

Du

ż

e termiczne elektrownie słoneczne

Moc

Moc

5

5

-

-

25 kW

25 kW

Poruszające się

Poruszające się

zwierciadło

zwierciadło

paraboliczne

paraboliczne

Łą

Łą

czna moc 9

czna moc 9

elektrownii w CA

elektrownii w CA

354 MW

354 MW

Olej syntetyczny

Olej syntetyczny

w temperaturze

w temperaturze

do 390

do 390

o

o

C

C

Rynnowe stojące

Rynnowe stojące

zwierciała

zwierciała

–

–

liniowe ognisko

liniowe ognisko

Temperatura

Temperatura

250

250

-

-

1500

1500

o

o

C

C

Moc

Moc

100 kW

100 kW

-

-

100MW

100MW

Stopione sole

Stopione sole

lub metale są

lub metale są

nośnikiem ciepła

nośnikiem ciepła

Płaskie ruchome

Płaskie ruchome

zwieciadeła

zwieciadeła

skupiają

skupiają

promieniowanie

promieniowanie

Elektrownie słoneczne

Elektrownie słoneczne

–

–

komin słoneczny

komin słoneczny

Doświadczlny projekt hiszpańsko – niemiecki realizowany w 1982
roku. Wytwarzanie energii elektrycznej w turbinie napędzanej
gorącym powietrzem

Komin o wysokości 195m i
średnicy 10m ustawiony w
środku terenu o średnicy
244m. Teren ten zabudowany
był „szklarnią” z płytą
absorbującą promieniowanie
słoneczne. Ciepłe powietrze
podążało w kierunku komina i
poruszało turbiny u wlotu do
komina

Urządzenie działało przez 8 lat
Maksymalna moc: 50kW

Elektrownie słoneczne

Elektrownie słoneczne

–

–

elektrownia

elektrownia

kominowa

kominowa

Moc elektrowni rośnie wraz z wysokością komina. Maksymalna
wysokość komina z betonu wynosi około 500m. Pomysł z Grecji to
zamontowanie rury o długości ponad 1500m. Rura musi być
lżejsza od powietrza, unosi się i może powiewać na wietrze

Elektrownie słoneczne

Elektrownie słoneczne

–

–

elektrownia

elektrownia

kominowa

kominowa

Na podstawie wyliczeń i doświadczenia z instalacją w Hiszpanii

Na podstawie wyliczeń i doświadczenia z instalacją w Hiszpanii

można oszacować:

można oszacować:

Elektrownia o mocy 100MW wymagałaby wieży o wysokości

Elektrownia o mocy 100MW wymagałaby wieży o wysokości

1000m i „szklarnii” zajmującej powierzchnię około 20 km

1000m i „szklarnii” zajmującej powierzchnię około 20 km

2

2

Koszty energii z takiej elektrownii to prawie w całości koszt

Koszty energii z takiej elektrownii to prawie w całości koszt

inwestycji. Koszt eksploatacji ogranicza się do wynagrodzenia

inwestycji. Koszt eksploatacji ogranicza się do wynagrodzenia

dla tylko 7 osób personelu. „Paliwo” jest bezpłatne.

dla tylko 7 osób personelu. „Paliwo” jest bezpłatne.

Oszacowania kosztów energii elektrycznej od 5 do 15

Oszacowania kosztów energii elektrycznej od 5 do 15

eurocentów za 1kWh

eurocentów za 1kWh

Zjawiska fizyczne

Zjawiska fizyczne

Fotoogniwa,

Fotoogniwa,

baterie

baterie

słoneczne

słoneczne

Najczęściej:

Najczęściej:

selen, krzem,

selen, krzem,

german, AsGa

german, AsGa

Pojawienie się siły

Pojawienie się siły

elektromotorycznej pod

elektromotorycznej pod

wpływem światła padają

wpływem światła padają

-

-

cego na złącze półprzew.

cego na złącze półprzew.

Zjawisko

Zjawisko

fotowoltaniczne

fotowoltaniczne

Fotokomórki,

Fotokomórki,

fotopowielacze

fotopowielacze

Szczególnie

Szczególnie

często metale

często metale

alkaliczne

alkaliczne

Emisja elektronów z

Emisja elektronów z

powierzchni ciała pod

powierzchni ciała pod

wpływem światła

wpływem światła

Zjawisko

Zjawisko

fotoelektryczne

fotoelektryczne

zewnętrzne

zewnętrzne

Termopary,

Termopary,

termoelemen

termoelemen

-

-

ty

ty

Siła elektromot.

Siła elektromot.

σ

σ

AB

AB

silnie zależy

silnie zależy

od temperatury

od temperatury

Pojawienie się siły

Pojawienie się siły

elektromotorycznej, gdy

elektromotorycznej, gdy

styki dwóch materiałów

styki dwóch materiałów

znajdują się w różnych T

znajdują się w różnych T

Zjawisko

Zjawisko

termoelektrycz

termoelektrycz

-

-

ne Seebecka

ne Seebecka

Próżniowe

Próżniowe

lampy

lampy

elektronowe,

elektronowe,

akceleratory

akceleratory

Prąd

Prąd

termoemisji:

termoemisji:

I = AT

I = AT

2

2

e

e

-

-

W/kT

W/kT

Emisja („wyparowanie”)

Emisja („wyparowanie”)

elektronów z silnie

elektronów z silnie

rozgrzanego ciała

rozgrzanego ciała

Termoemisja

Termoemisja

(Zjawisko

(Zjawisko

Richardsona)

Richardsona)

Zastosowanie

Zastosowanie

Występowanie

Występowanie

Charakterystyka

Charakterystyka

Nazwa

Nazwa

zjawiska

zjawiska

Zjawisko termoemisji

Zjawisko termoemisji

Elektrony z pasma przewodnictwa swobodnie poruszają się w

Elektrony z pasma przewodnictwa swobodnie poruszają się w

całej objętości ciała stałego

całej objętości ciała stałego

Gdy temperatura ciała wzrasta coraz więcej elektronów

Gdy temperatura ciała wzrasta coraz więcej elektronów

porusza się z dużymi prędkościami

porusza się z dużymi prędkościami

Oderwanie się elektronu od powierzchni nie jest łatwe bo jego

Oderwanie się elektronu od powierzchni nie jest łatwe bo jego

ładunek elektryczny jest przyciągany przez dodatni ładunek

ładunek elektryczny jest przyciągany przez dodatni ładunek

jakim jest brak elektronu na powierzchni. Oderwanie może

jakim jest brak elektronu na powierzchni. Oderwanie może

nastąpić gdy energia elektronu jest większa od „pracy wyjścia”

nastąpić gdy energia elektronu jest większa od „pracy wyjścia”

Dla niektórych substancji (wolfram pokryty cezem) praca

Dla niektórych substancji (wolfram pokryty cezem) praca

wyjścia jest stosunkowo niska

wyjścia jest stosunkowo niska

W temperaturze 1500K termoemisja czyli emisja elektronów

W temperaturze 1500K termoemisja czyli emisja elektronów

pod wpływem temperatury wynosi

pod wpływem temperatury wynosi

5*10

5*10

6

6

A/m

A/m

2

2

(dla czystego wolframu 0.1 A/m

(dla czystego wolframu 0.1 A/m

2

2

)

)

Generator termoelektronowy

Generator termoelektronowy

Generator składa się z dwóch elektrod znajdujących się bardzo

Generator składa się z dwóch elektrod znajdujących się bardzo

blisko siebie

blisko siebie

Na katodzie (Cs

Na katodzie (Cs

-

-

W) zogniskowana jest silna wiązka

W) zogniskowana jest silna wiązka

promieniowania słonecznego. Katoda nagrzewa się do wysokiej

promieniowania słonecznego. Katoda nagrzewa się do wysokiej

(około 1500K) temperatury i emituje elektrony

(około 1500K) temperatury i emituje elektrony

Elektrony docierają do znajdującej się w sąsiedztwie anody

Elektrony docierają do znajdującej się w sąsiedztwie anody

(ładunek elektryczny nie może gromadzić się w przestrzeni bo

(ładunek elektryczny nie może gromadzić się w przestrzeni bo

utrudnia dalszą termoemisję

utrudnia dalszą termoemisję

Zjawisko zachodziłoby tylko przez chwilę do

Zjawisko zachodziłoby tylko przez chwilę do

naładowania się anody (anoda nie emituje elektronów)

naładowania się anody (anoda nie emituje elektronów)

Anoda połączona jest zewnętrznym obwodem elektrycznym z

Anoda połączona jest zewnętrznym obwodem elektrycznym z

katodą

katodą

Elektrony przepływają spowrotem do katody.

Elektrony przepływają spowrotem do katody.

Po drodze mogą wykonać pracę

Po drodze mogą wykonać pracę

–

–

np..płynąc przez żarówkę

np..płynąc przez żarówkę

sprawiają, że żarówka świeci

sprawiają, że żarówka świeci

Zamiana energii słonecznej na elektryczn

ą

Zamiana energii słonecznej na elektryczn

ą

przy pomocy generatora termoelektronowego

przy pomocy generatora termoelektronowego

Ograniczenia:

Ograniczenia:

Aby zachodziła termoemisja konieczna jest duża koncentracja

Aby zachodziła termoemisja konieczna jest duża koncentracja

promieniowania słonecznego, tak aby temperatura katody

promieniowania słonecznego, tak aby temperatura katody

wynosiła około 1500K. Przy temperaturze 2000K katoda sama

wynosiła około 1500K. Przy temperaturze 2000K katoda sama

wypromieniowuje dużą część energii w postaci promieniowania

wypromieniowuje dużą część energii w postaci promieniowania

elektromagnetycznego

elektromagnetycznego

Praca wyjścia z anody musi być niższa niż katody. Aby uniknąć

Praca wyjścia z anody musi być niższa niż katody. Aby uniknąć

emisji elektronów przez anodą anoda musi mieć temperaturę

emisji elektronów przez anodą anoda musi mieć temperaturę

niską w porównaniu z katodą (używa się AgO pokrytego cezem

niską w porównaniu z katodą (używa się AgO pokrytego cezem

w temperaturze poniżej 750K

w temperaturze poniżej 750K

Odległość katody od anody wynosi kilka mm a różnica

Odległość katody od anody wynosi kilka mm a różnica

temperatur między elektrodami przekracza 750K

temperatur między elektrodami przekracza 750K

Mimo dużej wydajności generatora termoelektronowego, (do

Mimo dużej wydajności generatora termoelektronowego, (do

30%) trudności techniczne z zapewnieniem odpowiednich

30%) trudności techniczne z zapewnieniem odpowiednich

warunków pracy ograniczają jego zastosowanie

warunków pracy ograniczają jego zastosowanie

Zjawisko termoelektryczne

Zjawisko termoelektryczne

-

-

metale

metale

Obwód elektryczny z dwóch przewodników: A-B-A
Złącza A-B i B-A mają różne temperatury T i T+

∆

T

Na końcach przewodników A pojawia się różnica potencjału:

∆

U = S

∆

T; S jest współczynnikiem Seebacka, który

charakteryzuje metale A i B.

Dla metali typowa wartość

S = ok. 10

µ

V/K

Dla

∆

T = 1000K

∆

U=0.01V zbyt mała różnica potencjału

Zjawisko termoelektryczne

Zjawisko termoelektryczne

-

-

półprzewodniki

półprzewodniki

Zbyt niskie napięcie w przypadku metali dla któych

Zbyt niskie napięcie w przypadku metali dla któych

S = ok. 10

µ

V/K

Termopara sładająca się z przewodników dwóch różnych

Termopara sładająca się z przewodników dwóch różnych

metali służy do pomiarów temperatury ponieważ łatwo

metali służy do pomiarów temperatury ponieważ łatwo

można mierzyć nawet tak małe

można mierzyć nawet tak małe

∆∆∆∆

∆∆∆∆

U

U

Dla półprzewodników S może teoretycznie osiągać wartość

Dla półprzewodników S może teoretycznie osiągać wartość

S max = 1600

S max = 1600

µ

µ

V/K

V/K

W praktyce uzyskiwano

W praktyce uzyskiwano

S = 400

S = 400

µ

µ

V/K

V/K

.

.

Przy

Przy

∆

∆

T = 500 K daje

T = 500 K daje

∆∆∆∆

∆∆∆∆

U = 0.2 V

U = 0.2 V

Osiągnieto konwersja energii słonecznej na energię

Osiągnieto konwersja energii słonecznej na energię

elektryczną z wydajnością

elektryczną z wydajnością

ηηηη

ηηηη

około 7%

około 7%

Wykorzystanie zjawiska termoelektrycznego

Wykorzystanie zjawiska termoelektrycznego

Zainteresowanie metodą trwa
chociaż potrzebne są
temperatury 800 – 1000 K

Energia promieniowania słonecznego

Energia promieniowania słonecznego

-

-

nagrzewanie

nagrzewanie

-

-

energia elektryczna

energia elektryczna

W przypadku 3 omówionych pomysłów konwersji

W przypadku 3 omówionych pomysłów konwersji

energii promieniowania słonecznego na energię

energii promieniowania słonecznego na energię

elektryczną pierwszym etapem było nagrzewanie

elektryczną pierwszym etapem było nagrzewanie

się materiału absorbującego.

się materiału absorbującego.

Następnie:

Następnie:

substancja odbierająca ciepło wykonywała pracę

substancja odbierająca ciepło wykonywała pracę

substancja odbierająca ciepło emitowała

substancja odbierająca ciepło emitowała

elektrony

elektrony

płynął prąd elektryczny w obwodzie ze złączami

płynął prąd elektryczny w obwodzie ze złączami

różnych metali w różnych temperaturach

różnych metali w różnych temperaturach

Efekt fotoelektryczny

Efekt fotoelektryczny

Wykorzystanie faktu, że energia fotonu jest przekazywana

Wykorzystanie faktu, że energia fotonu jest przekazywana

indywidualnemu elektronowi.

indywidualnemu elektronowi.

Spróbujmy wykorzystać energię elektronu zanim przekaże ją

Spróbujmy wykorzystać energię elektronu zanim przekaże ją

w zderzeniach z innymi elektronami

w zderzeniach z innymi elektronami

Elektron powiniem móc przekroczyć barierę powierzchni i

Elektron powiniem móc przekroczyć barierę powierzchni i

wydostać się z materiału

wydostać się z materiału

Efekt fotoelektryczny

Efekt fotoelektryczny

Foton o energii h

Foton o energii h

ν

ν

przekazuje ją elektronowi. Gdy energia

przekazuje ją elektronowi. Gdy energia

elektronu jest wystarczająco duża, większa od pracy wyjścia,

elektronu jest wystarczająco duża, większa od pracy wyjścia,

wtedy elektron może wydostać się na zewnątrz.

wtedy elektron może wydostać się na zewnątrz.

Typowa praca wyjścia elektronu = ok. 2 eV.

Typowa praca wyjścia elektronu = ok. 2 eV.

Tylko 30% energii promieniowania słonecznego przenoszonego

Tylko 30% energii promieniowania słonecznego przenoszonego

jest przez fotony spełniające

jest przez fotony spełniające

warunek: h

warunek: h

ν

ν

> 2 eV czyli

> 2 eV czyli

λ

λ

< 0.62

< 0.62

µ

µ

m

m

Niestety oddziaływanie elektronu z innymi elektronami zanim

Niestety oddziaływanie elektronu z innymi elektronami zanim

elektron dotrze do powierzchni powoduje że rzadko który

elektron dotrze do powierzchni powoduje że rzadko który

wydostaje się z materiału katody

wydostaje się z materiału katody

Wydajność w rzeczywistości spada z 30% do

Wydajność w rzeczywistości spada z 30% do

ηηηη

ηηηη

= około 0.15%

= około 0.15%

Brak dalszego zainteresowania taką metodą konwersji

Brak dalszego zainteresowania taką metodą konwersji

Efekt fotoelektryczny wewn

ę

trzny

Efekt fotoelektryczny wewn

ę

trzny

W półprzewodnikach elektron z pasma walencyjnego

W półprzewodnikach elektron z pasma walencyjnego

(zwiazany z jądrem atomowym) po oddziaływaniu z

(zwiazany z jądrem atomowym) po oddziaływaniu z

fotonem i po odebraniu fotonowi całej energii może znaleźć

fotonem i po odebraniu fotonowi całej energii może znaleźć

się na poziomie o wyższej energii (w pasmie

się na poziomie o wyższej energii (w pasmie

przewodnictwa) i nie zostać oderwany.

przewodnictwa) i nie zostać oderwany.

Takie zjawisko można nazwać efektem fotoelektrycznym

Takie zjawisko można nazwać efektem fotoelektrycznym

wewnętrznym.

wewnętrznym.

Między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa nie

Między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa nie

ma innych poziomów, które mogłyby obsadzać elektrony.

ma innych poziomów, które mogłyby obsadzać elektrony.

Mówimy, że w półprzewodniku jest przerwa energetyczna.

Mówimy, że w półprzewodniku jest przerwa energetyczna.

Aby zaszedł efekt fotoelektryczny foton musi mieć większą

Aby zaszedł efekt fotoelektryczny foton musi mieć większą

energię niż energia równa szerokości przerwy

energię niż energia równa szerokości przerwy

energetycznej

energetycznej

Zł

ą

cze p

Zł

ą

cze p

-

-

n

n

Zwykle wolne miejsce w pasmie walencyjmym (nazwane dziurą

Zwykle wolne miejsce w pasmie walencyjmym (nazwane dziurą

lub nośnikiem ładunku dodatniego) zostaje zapełnione przez

lub nośnikiem ładunku dodatniego) zostaje zapełnione przez

elektron z pasma przewodnictwa

elektron z pasma przewodnictwa

Własności rozdzielenia ładunku ujemnego

Własności rozdzielenia ładunku ujemnego

-

-

elektronu z pasma

elektronu z pasma

przewodnictwa i dodatniego

przewodnictwa i dodatniego

–

–

dziury w pasmie walencyjnym

dziury w pasmie walencyjnym

posiada złącze p

posiada złącze p

-

-

n czyli warstwa na granicy dwóch

n czyli warstwa na granicy dwóch

półprzewodników różniących się atomami domieszek

półprzewodników różniących się atomami domieszek

wprowadzonych celowo do każdego z nich

wprowadzonych celowo do każdego z nich

Skład pierwiastkowy
złącza p-n

Zł

ą

cze p

Zł

ą

cze p

-

-

n po przyło

ż

eniu napi

ę

cia

n po przyło

ż

eniu napi

ę

cia

Gdy do złącza przyłożymy napięcie z zewnątrz złącze p

Gdy do złącza przyłożymy napięcie z zewnątrz złącze p

-

-

n

n

zachowuje się jak dioda

zachowuje się jak dioda

–

–

czyli przewodzi prąd tylko w jednym

czyli przewodzi prąd tylko w jednym

kierunku

kierunku

Bez zewnętznego napięcia, gdy złącze oświetlimy światłem

Bez zewnętznego napięcia, gdy złącze oświetlimy światłem

słonecznym powstają dziury i swobodne elektrony, które

słonecznym powstają dziury i swobodne elektrony, które

przesuwaja się w przeciwnych kierunkach. Ponieważ mają ładunki

przesuwaja się w przeciwnych kierunkach. Ponieważ mają ładunki

elekryczne różnych znaków tworzą prąd płynący w jednym

elekryczne różnych znaków tworzą prąd płynący w jednym

kierunku. Po przeciwnych końcach złącza pojawia się różnica

kierunku. Po przeciwnych końcach złącza pojawia się różnica

potencjału

potencjału

Dioda
półprzewodnikowa

Droga do ogniw fotowoltanicznych słu

żą

cych do

Droga do ogniw fotowoltanicznych słu

żą

cych do

zamiany promieniowania Sło

ń

ca na elektryczno

ść

zamiany promieniowania Sło

ń

ca na elektryczno

ść

1839

1839

Edmund Becquerel obserwuje efekt fotowoltaniczny

Edmund Becquerel obserwuje efekt fotowoltaniczny

1880

1880

Powstaje pierwsze ogniwo fotowoltaniczne z selenu,

Powstaje pierwsze ogniwo fotowoltaniczne z selenu,

które ma wydajność około 1%

które ma wydajność około 1%

1950

1950

Zastosowanie metody Czochralskiego do wytwarzania

Zastosowanie metody Czochralskiego do wytwarzania

monokryształów krzemu

monokryształów krzemu

1954

1954

W Bell Telefone Lab wykonano pierwsze ogniwo

W Bell Telefone Lab wykonano pierwsze ogniwo

krzemowe o wydajności około 4%

krzemowe o wydajności około 4%

1958

1958

Sztuczny satelita Vanguard został wyposażony w

Sztuczny satelita Vanguard został wyposażony w

ogniwa o mocy około 1W służące do zasilania radia

ogniwa o mocy około 1W służące do zasilania radia

1974

1974

Program Departamentu Energii USA. Powstało 3100

Program Departamentu Energii USA. Powstało 3100

systemów ogniw fotowoltanicznych

systemów ogniw fotowoltanicznych

1975

1975

-

-

90 Zainteresowanie przeniosło się z USA do Japonii i

90 Zainteresowanie przeniosło się z USA do Japonii i

Niemiec

Niemiec

2000

2000

Szybki wzrost produkcji ogniw fotowoltanicznych

Szybki wzrost produkcji ogniw fotowoltanicznych

Działanie ogniwa fotowoltanicznego

Działanie ogniwa fotowoltanicznego

Elektrownia fotowoltaniczna

Elektrownia fotowoltaniczna

Elektrownia fotowoltaniczna

Elektrownia fotowoltaniczna

Kotektory z ogniwami
fotowoltanicznymi

Schemat elektrowni opartej na
zamianie promieniowania
słonecznego na elektryczność w
ogniwach fotowoltanicznych

Wydajno

ść

ogniwa fotowoltanicznego

Wydajno

ść

ogniwa fotowoltanicznego

Podstawowe ograniczenie wydajności ogniwa wynika z ciągłego

Podstawowe ograniczenie wydajności ogniwa wynika z ciągłego

rozkładu energii widma promieniowania słonecznego:

rozkładu energii widma promieniowania słonecznego:

Gdy energia promieniowania jest dokładnie równa energii przerwy

Gdy energia promieniowania jest dokładnie równa energii przerwy

energetycznej to elektron w efekcie fotoelektrycznym otrzymuje

energetycznej to elektron w efekcie fotoelektrycznym otrzymuje

dokładnie tyle energii ile potrzebuje by przejśc z pasma

dokładnie tyle energii ile potrzebuje by przejśc z pasma

walencyjnego do pasma przewodnictwa ( wydajność 100%)

walencyjnego do pasma przewodnictwa ( wydajność 100%)

Gdy energia promieniowania jest mniejsza przejście nie może

Gdy energia promieniowania jest mniejsza przejście nie może

zajść (wydajność 0%)

zajść (wydajność 0%)

Gdy energia promieniowania jest większa to elektron otrzymuje

Gdy energia promieniowania jest większa to elektron otrzymuje

zbyt dużą energię i szybko pozbywa się nadmiaru (nadmiar

zbyt dużą energię i szybko pozbywa się nadmiaru (nadmiar

energii zamienia się na ciepło) ale pozostaje w pasmie

energii zamienia się na ciepło) ale pozostaje w pasmie

przewodnictwa ( wydajność mniejsza od 100%)

przewodnictwa ( wydajność mniejsza od 100%)

Sumaryczna wydajność zależy od energii przerwy energetycznej

Sumaryczna wydajność zależy od energii przerwy energetycznej

Wydajno

ść

ogniwa fotowoltanicznego

Wydajno

ść

ogniwa fotowoltanicznego

Wydajność mogłaby
wynieść 100% gdyby
wszystkie fotony miały
energię równą szerokości
pasma wzbronionego (czyli
równą przerwie
energetycznej
półprzewodnika).

Dla Si:

Eg=1.1eV

λλλλ

= 1.24/Eg =

1.1

µµµµ

m

Ponieważ widmo promieniowania słonecznego zawiera promieniowanie o
różnych długościach fal teoretyczna wydajność maksymalna wynosi

45%.

Wydajno

ść

a warto

ść

przerwy energetycznej

Wydajno

ść

a warto

ść

przerwy energetycznej

Różne półprzewodniki

Różne półprzewodniki

mają różne przerwy

mają różne przerwy

energetyczne

energetyczne

Szczęśliwie wartość

Szczęśliwie wartość

przerwy Si jest

przerwy Si jest

optymalnie dopasowana

optymalnie dopasowana

do widma promieniowania

do widma promieniowania

słonecznego

słonecznego

Można podnieść wydajność wytwarzając podwójne a nawet potrójne
ogniwo fotowoltaniczne, w którym cienkie warstwy różnych
półprzewodników umieszczone są jedna pod drugą tak aby
promieniowanie, które nie zostało zaabsorbowane w górnej
warstwie mogło spowodować wzbudzenie elektronu w dolnej

Wydajno

ść

ogniw fotowoltanicznych z

Wydajno

ść

ogniw fotowoltanicznych z

ró

ż

nych półprzewodników

ró

ż

nych półprzewodników

Technologia oparta na
ogniwach krzemowych jest
najbardziej rozwinięta. Są
możliwości zastosowania
innych półprzewodników

Produkcja ogniw fotowoltanicznych na

Produkcja ogniw fotowoltanicznych na

ś

wiecie

ś

wiecie

Szybki wzrost
produkcji
ogniw foto-
woltanicznych
w ostatnich
latach

Widok elektrownii fotowoltanicznej w

Widok elektrownii fotowoltanicznej w

Hiszpanii

Hiszpanii

Problem z wydajnością
elektrownii
fotowottanicznych

Produkcja ogniw fotowoltanicznych na

Produkcja ogniw fotowoltanicznych na

ś

wiecie

ś

wiecie

Zainstalowana moc

Zainstalowana moc

elektrownii fotowoltanicznych

elektrownii fotowoltanicznych

Nadzieja na zmniejszenie
kosztów produkcji
elektryczności w
elektrowniach słonecznych