Giriş: Temiz Enerji Fiziği

Yenilenebilir enerji teknolojileri sadece mühendislik harikaları değil; temel fizik uygulamaları doğrudan uyguluyorlar. Solar, rüzgar, hidro ve jeotermal sistemler artık çoğu bölgede fosil yakıtlarla rekabete mal oluyor, güneş ışığından (LCOE) geçen on yıl boyunca yaklaşık% 90 oranında düşüyorlar.

Fotovoltaic Etkisi: Işıkı Elektrik Current

Her güneş panelinin kalbi fotovoltaik (PV) etkisidir, 1839 yılında Fransız fizikçi Edmond Becquerel tarafından keşfedildi. Güneşli bir yarı iletken malzemeyle foton enerjisinin atomik latticesi içindeki elektronlara aktarılması için gerekli olan en az enerjidir.

Bununla birlikte, rastgele hareket eden ücretsiz elektronlar faydalı bir mevcut değildir.İş çıkarmak için, elektronlar dış bir devre üzerinden yönlendirilmelidir. Bu yönality, bir p-n ekleminin oluşturulması aracılığıyla güneş hücresine mühendisi olarak tasarlanır.

P-N Junction ve Elektrikli Alan

Saf kristal silikon, dört valans elektronu ile bir intrinsic yarı iletkendir.Bir p-n kavim oluşturmak için, üreticiler silikon latticesine özel bir boşluklar sunar. Phosphorus, beş valence elektronu olan, fazla serbest elektron yaratır, n tipi (negative) silikon oluşturur. Boron, üç valence elektronu yaratır, p-tipi oluştururlar.

Bu iki malzeme katıldıklarında, n tipi taraftan elektronlar doğal olarak p-tipi tarafa eklemlenirler.Bu geçiş, n tipi tarafa ve negatif suçlamaların ters tarafında topladığı ince bir bölge yaratır.Bu şarj ayrımı, her iki tarafta da kalıcı bir elektrik alanı yaratır.Bir fotoğraf makinesi, bu depletion bölgesine veya yakın bir şekilde çalışırsa, n tipi tarafa doğru elektronu süpürüyor.

Bandgap Enerji ve Spetral Yanıt

Neden silikon? Kristal silikonun bandgapı yaklaşık 1.1 elektron volts (eV) Bu değer güneş ışığının enerji dağılımına uygun. 1.1 eV (gerekli ışık) ısıtılmadan hücreye geçer. 1.1 eV'nin üzerindeki fotonlar ısıtılır, ancak aşırı enerji elektrikten ziyade ısıtılır.

Bu fiziksel sınır 1961 yılında William Shockley ve Hans-Joachim Queisser tarafından hesaplandı. Onların çalışması, yarı iletken grubun temel fizik ve siyah radyasyonun bir sonucu olarak bu bariyeri aşabilecek tek bir güneş hücresinin hiçbirini değiştirebileceğini belirtti.

Solar Hücre İmalatı ve Teknolojisi Sınıfları

Prensip basit olsa da, verimli güneş hücreleri, malzeme saflığı ve kristal yapısı üzerinde mükemmel bir kontrol gerektirir. Güneş panellerinin büyük çoğunluğu üç ana kategoriye girer, her biri farklı maliyet ve performans özellikleri ile.

Monokristalle Silikon (c-Si)

Monokristal hücreler tek, sürekli silikon kristali Czochralski işlemi kullanılarak yapılır. Bu yöntem, düşük ışık koşullarında daha iyi performans gösterme eğilimindedir ve şarj taşıyıcılarının özgürce hareket etmesine izin verir.Bu hücreler en yüksek ticari efficilere ulaşır, genellikle% 20 ve 24 arasında değişir ve aynı zamanda üniformalı siyah görünümleri ile karakterize edilir.

Polykristalline Silikon (multi-Si)

Polykristal hücreler silikonu eritmek ve bir kalıp haline getirmekle yapılır, birden fazla kristal tahıl oluşturur. Bu tahıllar arasındaki sınırlar, elektronlar ve delikler erken karşılaştırılabilir, verimlilik azaltılabilir. Ticari multi-Si paneller genellikle% 17'den% 20'ye kadar değişir. Tipik bir mavi, speküleatör görünümüne sahiptir ve genellikle monokristal waferlerden daha az pahalıya mal oluyor, ancak piyasa payının monoksit maliyetler düştü.

İnce Film Solar Hücreleri

İnce film teknolojileri, yarı iletken bir malzemeden bir cam, metal veya plastik bir substrata kadar mikrometre tabakasından (CdTe), bakır indium galium selenide (CIGS), ve ince filmlerin hafif, esnek ve daha ucuz olması -% 10 -% 18 - daha fazla fiziksel alan - ve genellikle aynı miktarda güç üretmek için daha fazla fiziksel alan gerektirir.

Gelişmiş Hücre Mimarileri: PERC, HIT, ve IBC

[FONT=0)[DÜDÜDÜDÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜN

Faktörler Gerçek Dünya Güneş Performansı

Laboratuvar hücreleri SQ limitine yaklaşabilirken, gerçek dünya modülleri önemli kayıplarla karşı karşıyadır. Sistem tasarımcıları hücrenin intrinsic verimliliğinin ötesinde değişkenleri dikkate almalıdır.

  • [FONT:0)Reflection ve Soiling: Anti-reflektif kaplamalarla bile, olayın % 2-3'i cam yüzeyi yansıtmıştır. Accumated toz, kar ve kuş damlaları kuru veya anketlerde% 5 ila% 20 azaltılabilir.
  • [FONT:0]Temperyature Hassasiyet: [Dönetici: [Dönetici:0]Temperyatrik Hassasiyet:[Dönetici: 0,8] Kristal silikon hücreleri, 25°C'nin üzerindeki her derece için en yüksek derecenin% 0.4'ünü kaybeder. Doğrudan güneş ışığında, paneller 65°C'ye kolayca ulaşabilir ve hava akışını teşvik eden 16% güç kaybı ile sonuçlanabilir.
  • [FONT:0)Angular Kayıplar ve Shading: Çıktılar panel ve doğrudan güneş ışığı (kücut kaybı) arasındaki açının eşe göre orantılıdır. tek bir hücrenin yığılması, diyotların gölgeli hücrenin etrafındaki mevcut tüm rotanın üretimini büyük ölçüde azaltamaz.
  • [FONT:0]Köpürücü ve İndüksiyon Kayıpları: [Dönder: DÖRT:0)Köpücük dönüşüm kayıpları ile birlikte, toplam sistem verimliliğini 25% azaltabilecek durumda.

Diğer Yenilenebilir Teknolojilerin Temel Prensipleri

Fotokoleler için uygulanan bilimsel rigor, diğer yenilenebilir kaynaklar için de geçerlidir. Her teknoloji belirli fiziksel yasaları kullanarak farklı bir doğal enerji flux kullanır.

Rüzgar Gücü: Aerodinamik ve Betz Yasası

Rüzgar türbinleri, havayı rotasyonel mekanik enerjiye dönüştürmenin kinetik enerjisini dönüştürür. Bir rüzgar akışındaki güç, hızdaki küplere göre orantılıdır, yani 7 m /s ortalama rüzgar hızlarına benzer bir site neredeyse 0:0) rotoru aşıyor).

Bir tür kinetik enerji miktarı rüzgardan çıkarılabilir, Betz'in Yasası ile maksimum 59.3%'e kadar sınırlıdır. Bu, rüzgarın tam bir duraka getirilmesi ve iyileştirilmesi için bazı hız sağlamalı; uygulamada, iyi tasarlanmış faydalı türler için tasarlanmış ürünlerde% 35-45 oranında artışlar elde edilir. Doğrudan sürücü jeneratörlerde gelişmiştir.Bu, özellikle de deniz tesisatlarında bakım maliyetlerini azaltıp, özellikle de deniz tesisatlarında güvenilirlikleri azaltamaz.

Hidro güç: Yavaş Potansiyel ve Kinetik Akış

Hidropower, suların yerçekimi potansiyelini yüksek bir yerden uzaklaştırır. Güç üretilen enerji, yüksek oranda (üçlü pompa) ve etkili bir kafa (vertical drop) Modern tür, Francis ve Kaplan tasarımları gibi, elektrik enerjisinin% 90'ını elektrike dönüştürebilir, elektrikli su pompasının en verimli formunu oluşturur.

Geoterm: Dünya İç Heat

Geotermal enerji, Dünya'nın sıcak iç ve yüzeyi arasında ısınıyor. Hidrotermal bitkiler, daha düşük sıcaklıklarda veya buharlı bitkiler, yüksek basınçlı sıcak sular buharı, buharlı bitkiler doğrudan şarj edilebilir; kuru buharlı bitkiler, sıcak sular, daha düşük enerjilerde ısınmış bir sıvıya sahip, daha sonra da enerjide ısınmış bir ısı geçişi ile ısınıyor.

Ocean Energy: Tidal ve Wave

Tidal enerji oldukça öngörülebilir çünkü ay ve güneş yerçekimi güçleri tarafından yönlendirilir, ancak yukarı ve aşağı yukarı inşa edilen hidro güç barakları gibi yüksek akış bölgelerinden elde edilen dalga akışlı türbinler kullanılarak yapılır.

Biomass: Mağazalı Kimyasal Enerji

Biyokütler enerji, organik maddede fotosentez yoluyla depolanan kimyasal enerjiyi kullanır. Ahşap veya tarım kalıntılarının doğrudan yanması buhar türbinleri için ısı yaratır. Gelişmiş yol yolları, biyogaz üretmek için anaerobik sindirme içerir (muhtemelen methane) ve etanol üretmek için fermentasyon. eleştirel bir bilimsel düşünceye bağlıdır, ancak arazi-enerji girişi, bu tür bir miktar dengesi değiştirebilir ve biyokütle yapılır.

Grid Entegrasyonu ve Enerji Depolama Bilimi

Güneş ve rüzgar nesli doğa tarafından değişkendir. Bu kaynakların yüksek penetrasyonları ile bütünleştirilmesi sağlam enerji depolama çözümleri gerektirir. Üretim ve talep arasındaki yanlış eşleştirmeyi düzgün bir şekilde depolayın, inertia, frekans düzenlemeleri ve kullanılabilir güç sağlar.

Elektrokimya Depolama (Lithium-Ion)

Lityum-ion (Li-ion) bataryalar, yüksek yuvarlak-dönüş verimliliği (85-95) nedeniyle şebeke büyüklüğüne hükmediyorlar ve hızla azalır. Temel hücre kimyası, daha uzun bir süre boyunca lityum iyonları (tipik olarak NMC veya LFP) ve NMC'nin (tipik olarak grafik) hızlanması nedeniyle istasyon güvenliği için kritik bir kesintiye uğratır. LFP (Lithium Iron Phosphate) kimyası, daha uzun döngüsü hayatı nedeniyle istasyonlu depolamayı sağlar.

Pompalanmış Hidro ve Yeşil Hidrojen

Pompalanmış hidrokarbon küresel olarak en büyük yüklü depolama kapasitesidir, uzun süreli depolama (8-16 saat) çok düşük seviyede depolarda veya preurized tanklarda depolanabilir ve daha sonra bir yakıt hücresi veya yanma türbininde kullanılmaktadır.Su moleküllerinin (H2O) yuvarlak ayarlı verimliliğinin (H2) ve oksijenin (O2) daha düşük olması ve hidrojenin karbonun karbonu tamamen gerekli olan bir şebekede depolanabilir veya daha sonra tamamen elektriksel olarak yanmak için kullanılır.

Gelişen Teknolojiler ve Yol İleri

Bilimsel araştırmalar fiziksel olarak mümkün olan şeyin sınırlarını zorlamaya devam ediyor. Malzeme bilimi, hesaplama modelleme ve nanoteknoloji bir sonraki yenilenebilir teknolojileri yaratıyor.

[FONT:0)Perovskite güneş hücreleri [Dönder: 1) Perovskites, belirli bir kristal yapısı ile malzeme sınıfıdır (ABX3), mükemmel ışık absoratörü ve şarj-karrier hareketliliğini sergileyen, silikon atıklarının tarihteki diğer PV teknolojiden daha hızlı elde ettiği yüksek enerjili fotonlar, şimdi %28'den fazla sayıda mikropnömatik cihazda %37'den fazla performans gösterir.

[FONT:0) Güneşi (Floatovoltaics)) rezervuarlarda paneller dağıtarak arazi kullanım kısıtlamaları, soğutma havuzu ve hatta deniz platformları.Suların soğutma etkisi ısıtılır ve 25% ile panel verimliliğini artırabilir, böylece rezervuardan su tasarrufu sağlar.

Sonuç: Bir Birleşik Bilimsel Vakfı

Güneş hücrelerinin aerodinamik asansöre hükmedmesinin etkisinden, rüzgar türbinlerini yönlendiren, yenilenebilir enerji teknolojilerinin iyi kurulmuş bilimsel ilkelere dayanıyor. Bu sistemlerin verimliliği, Şokley-Queisser limit ve Betz Yasası gibi fiziksel yasalarla sınırlandırılmıştır, ancak bilimsel olarak devam eden bir yenilik, termodinamik ve elektrokimya bu sınırları güçlendirmek ve uygulamak için devam etmektedir.Bu temel bilimsel ilkeleri anlamak ve politika yapıcılar, maliyetlerin arttırılması, güvenilirlik ve küresel geçişin artırılması gibi, küresel bir enerji sistemine geçişin hızlandırılması gibi.