Tomáš Ulrich TUL 2012
1
Fotovoltaika Historie, princip
Termofotovoltaika
Úvod Historie Princip Spektrální kontrola Využití Srovnání s fotovoltaikou Závěr 2
Pojem FV – řecké φώς [phos] = světlo a volt Přímá konverze optické části elmg. záření na el. energii 1839 – A. E. Becquerel – připisován objev jevu 1905 – A. Einstein – fyzikální popis (kvantový) 1916 – R. Milikan – exp. potvrzení platnosti principu FV jevu 70. léta 19. stol. – první pokusy s fotočlánky (Se) 1883 – Ch. Fritts - 1. Se-fotočlánek s tenkou vrstvou Au (η<1%) 1941 – Počátek rozvoje Si-solárních článků 1946 – R.Ohl – první patent na solární článek 1954 – Bellovy laboratoře – 1. skutečný FV článek (Si, η>4%) 60. léta – S nástupem kosmického výzkumu větší rozvoj FV 1973 – Celosvětová ropná krize …
3
1. generace („Si desky“) Nejstarší (prodej v 70. letech) Nejrozšířenější (cca 90%)
Poměrně vysoká η (14-19%) Základem Si (mono, polykrystalický)
2. generace („tenkovrstevné články“) Snaha o snížení výrobních nákladů (Si) Komerčně známy od 2. pol. 80. let 100x-1000x tenčí aktivní absorbující polovodičová vrstva (thin-film) η kolem 10 - 15% Amorfní a μ-krystalický Si, SiGe, SiC či CIS struktury (Cu, In, Ga, S, Se) Možnost volby substrátu (organický, kovový, textilní folie) -> širší aplikační sféra
4
3. generace („Vícevrstvé“) Snaha o zvýšení tzv. proudového (absorpce) a napěťového (energie) zisku Články: ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪
vícevrstevné solární (z tenkých vrstev) využívající kvantových jevů (kvantové tečky nebo jámy) prostorově strukturované (vznik samoorganizací při růstu aktivní vrstvy) založené na termofotonické přeměně, kde absorbér je nahrazen elektroluminiscencí založené na termofotovoltaické přeměně, kde absorbér je současně i radiátorem …
5
FV využívá přímé přeměny světelné E na elektrickou E Přeměna uskutečněna v polovodičovém prvku (FV, solární článek) Solární článek ~ velkoplošná dioda alespoň s 1 PN přechodem
Část mající elektronovou vodivost - materiál typu n (Si s příměsí P) Část mající děrovou vodivost – materiál typu p (Si s příměsí B)
Na přechodu p-n: oddělení e a děr a mezi kontakty vzniká napětí Vnějším obvodem zapojeným mezi kontakty protéká stejnosměrný el. proud Protékající proud přímo úměrný ploše článku a intenzitě dopadajícího záření Fotoefekt – ozářený článek generuje elektricky nabité elementy (pár e, díra) Fotony svou E „vyrážejí“ e z valenčního do vodivostního pásu
6
Na povrch Země dopadá široké energiové spektrum záření Základní požadavkem:
pohlcení co nejširší oblasti spektra co nejlepší využití E fotonů
Dopadají-li na článek fotony
A) s E < Eg -> projdou a nejsou absorbovány B) s E > Eg -> fotony jsou absorbovány v polovodiči a vznikají volné náboje
Napětí 1 článku cca 0,5 V – příliš nízké pro další běžné využití Propojením (sériovým) více článků – napětí použitelné v různých typech FVS Standardně sestavy pro jmenovité provozní napětí 12 nebo24 V Sestavy hermeticky uzavřeny ve struktuře krycích materiálů
7
Štýrsko (Rakousko) FVS „Tree“
8
Přímá metoda přeměny energie tepelné na elektrickou Zdroj tepla -> zahřívané těleso -> spektrální kontrola -> polovodičové desky Relativně vysoká účinnost konverze (i přes 50 %) Není omezení jen na dané energiové spektrum zdroje jako u klasické FV Využití rekuperace - opětovné využívání „nevhodných“ fotonů Termofotovoltaika jest jakýmsi „speciálním případem“ fotovoltaiky
9
50. léta 20. století
Henry Kolm (MIT) – konstrukce základního TFVS (1956) Pierre Aigrain – položeny základy (přednášky, výzkum) ▪
Vysoké ztráty a malá efektivnost konverze
1960/1970 – součást výzkumu solárních systémů pro sondy a kosmické lodě
Možnost jak využít této konverze k vysoce účinné přeměně slunečního záření Nevznikl funkční systém -> rozvoj koncentrátorových solárních systémů na nových principech
Konec 90. let
Opětovný zájem o tento přístup v kontextu vývoje kompaktních zdrojů E pro vesmírné účely (fosilní palivo jako primární zdroj E) Ponorky Navrženo první pokusné vozidlo – Viking 29 (1998)
Současnost
Nové pochopení fotoniky, technologie, mat. výzkum... 10
Vyzařování černého tělesa Snaha využít celé spektrum -> spektrální kontrola
Obecná sestava:
Tepelný zdroj (palivo) -> radiátor -> filtry -> fotovoltaické články ->…
Základní model (příklad):
Srdcem válec z W (v něm vyleptány otvory) Uvnitř se při vysoké teplotě spaluje palivo (CH4) Emitor se tak zahřívá na teploty mezi 900 až 1300 °C Povrch emitoru vyzařuje i v IR Záření prochází speciálními selektivními filtry Nevhodné záření odraženo zpět (rekuperace) Roste účinnost celého procesu Prošlé záření dopadá na pole fotodiod (GaSb) -> elektřina
11
12
„Studená“:
Držena na nízkých teplotách (20-50 °C) Odrážení nízkoenergetických fotonů zpátky k vyzařujícímu povrchu emitoru Přední povrchové filtry: ▪ ▪
S periodicitou v 1D (interferenční), 2D (frekvenčně selektivní povrchy) a v 3D Plazmové filtry a různé kombinace (tandemové) ▪
Lockheed Martin -> přední tandemové filtry -> spektrální η = 83 % pro Eg = 0,52 eV a 76 % pro Eg = 0,60 eV při Temitoru = 950 °C
Zadní povrchové reflektory (BSR)
„Teplá“:
Svázána s tepelným zdrojem Potlačování emise nízkoenergetických fotonů z radiačního povrchu Tvarování povrchu radiátoru, aplikací povlaků, či filtrů na jeho povrch Použití bulk materiálů a selektivní emise (např. oxidy vzácných zemin) Využívání 3D fotonické bandgap struktury (PBG)
13
14
Radiátor (absorbér, emitor)
Absorpce co největšího spektra záření (bez zpětného odrazu a rozptylu do okolí) Emitor fotonů na FV článek Pro správnou fci důležitá dostatečně vysoká teplota: 1200 ≤ TE ≤ 2000 K (927 – 1727 °C) Ideální radiátor je dokonale černé těleso se stálou T Absorpce celého dopadajícího záření nezávisle na úhlech dopadu s minimální reflexí Dokonalý zářič -> množství absorbované energie by bylo srovnatelné s emisí Černý uhlík, platina, karbid uhlíku
„Šedý“:
▪ ▪
Typická stejná spektrální emise pro všechny vlnové délky Materiály s vysokým bodem tavení (P, W, SiC – vhodná emisivita/degradace)
Selektivní: ▪ ▪ ▪
Řízená emise (vysoká pro fotony s větší E a zanedbatelná pro ty s nižší) Plynný (plazmový): T > 1727 °C, nižší hustota plazmy -> nižší výkon Pevný: T > 1000 °C , sloučeniny prvků vzácných zemin, photonické krystaly, antireflexní vrstva (Al2O3)
15
Filtry
Největší spektrální řízení Maximální propustnost fotonů s E=Eg a mírně větší Maximální odrazivost fotonů s E menší a větší než Eg zpět k radiátoru Minimální absorpce záření Umístěny mezi radiátor a FV článek
Interferenční (úzkopásmové) ▪ ▪ ▪ ▪
Plazmové ▪ ▪
Velká odrazivost X velká absorpce propouštěného spektra Vodivé a polovodivé materiály
Kombinované (tandemové) ▪
Velká propustnost v daném rozsahu spektra Velká odrazivost pro nežádoucí λ X zhoršená odrazivost pro velké λ Zanedbatelná absorpce Dielektrika
Kombinují výhody a potlačují nevýhody obou
Maticové ▪ ▪
Skupina malých otvorů určujících průchod požadovaných λ (velikost a rozestupy otvorů < λ) Velká odrazivost -> sloučeniny kovů
16
Unikátní spektrální a úhlové vlastnosti záření černého tělesa mají značný vliv na návrh zařízení a celkově na jeho efektivitu Vyzařování černého tělesa závislé na λ a teplotě emitoru Th:
Větší zastoupení delších λ Mnohem širší spektrální rozsah 95 % vyzářeného výkonu na λ od 1-10 µm Omezení na návrh spektrální kontroly a výkonost:
Velmi široká šířka pásma reflexe Velmi široké potlačení vyzařovaného pásma 17
Podíl použitelné E (E > Eg) v spektru vyzařovaném černým tělesem
18
Fotony dopadají na povrch diody či filtr z různých úhlů Velká úhlová distribuce komplikuje návrh a výkonost spektrální kontroly:
Interferenčně založené filtry závisejí na délce optické cesty vrstvami filtru, které postupně závisí na úhlu dopadu fotonu Parazitní absorpční ztráty zachytáváním a mnohonásobnými vnitřními odrazy uvnitř vrstev diod a filtrů s vysokými indexy lomu …
19
Motivace
Většina současné E vyráběna právě z Q (spalování uhlí, plyn, bioplyn, uran…) Principem vždy ohřev vody -> pára pohánějící turbínu -> rotor generátoru Vesměs velké drahé zařízení – pohyblivé části, poruchovost, min. miniaturizace Lepší konverze Q na el. E bez mechanického mezičlánku Jednoduchost oproti klasickým palivovým článkům Absence nespolehlivých pohyblivých dílů oproti generátorům se spalovacím motorem Chod generátoru TFVS – klidný, tichý (spalovací proces probíhá nepřerušovaně) Široké pole dostupných palivových zdrojů a jejich snadná výměna Vysoká provozní T – možné využití odpadního Q (vytápění, klimatizace) Potenciál dosažení vyšší systémové účinnosti (nad 20 %) Inspiruje k výzkumu v řadě směrů (články s úzkým Eg, selektivní emitory…)
Spíš konkrétní aplikace, ostrovní, než velkokapacitní 20
Podle tepelného zdroje:
Solární TFS – záření Slunce, vyšší η než běžná Nukleární TFS – rozklad radioizotopu Systém řízeného spalování – spalování plynů, tuhých paliv
Podle oblasti:
Primární zdroj E pro menší jednotky – odlehlé horské oblasti, severské země bez el. E Kosmický výzkum - hluboký vesmír (mimo sluneční soustavu) – kosmické sondy, družice Armáda (vojáci v boji – nahrazení konvenčních dieselových generátorů) Doprava - automobily, vlaky, ponorky Přímá výroba el. E ve velkých elektrárnách – obešel by se parní cyklus (menší životnost, spolehlivost) Efektivnější konverze E ze Slunce: emitor generátoru v ohnisku parabolických zrcadel Bezdrátový dálkový přenos E na dálku – vysílačem výkonný laser, přijímačem TFV buňka
21
Automobily
Napájení subsystémů (el. obvody, elektronika, klimatizace) ▪ ▪ ▪
Oproti alternátoru úspornější (menší množství paliva) a spolehlivější (pohyblivé části) Nahrazení klimatizační jednotky (vznikající teplo) Řešení některých problémů dieselových motorů (hluk)
Hlavní zdroj E pro hybridní vozy (čistý a úsporný) Vinking 29 ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪
Zřejmě 1. komerčně využitelný osobní automobil s TFV generátorem (1998) Americký institut pro výzkum motorových vozidel (WTI) společně se společností JX Crystals Sportovně vyhlížející s 8 TFV generátory na stlačený zemní plyn Generátory o P asi 10 kW pracují při T asi 1427 °C, fotočlánky na bázi GaSb El. energie jde do Ni-Cd akumulátoru Vlastní pohonnou jednotkou je elektromotor o P = 53 kW Efektivnost provozu hlídá počítačová jednotka Systém využívá vysokého napětí 360 V -> kostra z laminátu a uhlíkových vláken (izolant) Průběžné testy ukázaly např. 50krát nižší obsah škodlivin ve výfukových plynech oproti běžnému spalovacímu motoru o stejném výkonu
22
Vesmírné sondy
TFV radioizotopová konverzní technologie (Univerzita v Houstonu) Kombinace TFV článků současně s termočlánky 3 až 4 násobné zlepšení v systémové účinnosti současného RTG RTG (Radioizotopový Termoelektrický Generátor) – dlouhodobý a spolehlivý zdroj DC využívající k získání tepelné E rozpadu radioaktivních prvků Izotop Plutonia-238 ve formě PuO2
23
Mikroreaktory
U fotodiod v IR oblasti je limitující šířka pásma Pro co největší η by bylo ideální záření o jediné vlnové délce -> monochromatické Vědci z MIT pracující v institutu pro vojenské nanotechnologie vyrobili takový mikroreaktor Velikostí odpovídá knoflíku Produkuje 3krát více E než srovnatelně velká Li-Ion baterie Poháněn spalováním butanu Monochromatické záření díky tenké destičce z W (fotonický krystal) Pomocí paprsku horkého plazmatu do W vyleptána síť drobných otvorů s nm průměry Při zahřátí tato struktura funguje jako rezonátor zvyšující tepelné vyzařování požadované délky, kterou fotodioda dokáže proměnit na elektřinu Pro maximalizování účinnosti před fotodiodou filtr z nm tenkých vrstviček Si a SiO2 Kdyby se podařilo zvýšit hustotu E, pak by mohl takový článek na 1 náplň pohánět smartphone celý týden Účinnost zatím okolo 3 % 24
25
Vysoce účinná přímá konverzní metoda (tepelná E na elektrickou E) Relativně jednoduchá, absence pohyblivých částí, tichý chod Vyšší účinnosti dosaženo díky spektrálnímu řízení Využívá jiného (širšího) spektra záření oproti FV Možnost různých tepelných zdrojů (uhlí, bioplyn, izotopy…) Probíhá prostřednictvím tělesa zahřívaného přímo ve spalovací zóně tepelného zdroje a polovodičové struktury Široký aplikační potenciál (ostrovní systémy, generátory, elektrárny…) Zatím ve vývoji (rychlém) –> aby nahradila stávající energetické systémy v širší komerční sféře – zatím vysoké ceny a malé účinnosti
26
Thermofotovoltaic Spectral Control – DM DePoy, PM Fourspring a další (PDF) http://en.wikipedia.org/wiki/Thermophotovoltaic#Applications_of_thermophotovoltaics http://oze.tzb-info.cz/fotovoltaika/6698-termofotovoltaika http://svetfyziky.souepl.cz/index.php?option=com_content&view=article&id=65%3Amodel-solarnielektrarny&catid=41%3Aenergetika&Itemid=66&showall=1 http://ceskaenergetika.cz/konference_a_vystavy/termofotovoltaicke_systemy.html http://www.fvolt.cz/clanky/18-konference/c7-termofotovoltaicke-systemy/ http://www.matrix-2012.cz/index.php?option=com_content&view=article&id=445:elektina-se-da-vyrabt-i-upln-jinak&catid=60:volnaenergie&Itemid=84 http://www.osel.cz/tisk.php?clanek=5815 http://biom.cz/cz/odborne-clanky/nove-moznosti-energetickeho-vyuziti-bioplynu http://www.itnews.sk/spravy/technologie/2006-06-13/c95983-termofotovoltaicka-konverzia-generuje-elektrinu-efektivnejsie http://www.rozhlas.cz/leonardo/technologie/_zprava/267393 http://cs.wikipedia.org/wiki/Shockley%C5%AFv-Queisser%C5%AFv_limit http://www.fvolt.cz/clanky/22-fotovoltaicke-elektrarny/c2-obecne-informace-o-fotovoltaice/ http://www.czrea.org/cs/druhy-oze/fotovoltaika http://cs.wikipedia.org/wiki/Fotovoltaika http://www.solarpowernotes.com/how-solar-cells-works.html http://www.ll.mit.edu/publications/labnotes/powertogo.html http://pvlab.ioffe.ru/about/thermophotovoltaic_tpv_generators.html http://www.du.se/en/About-Dalarna-University/Organisation/Schools/School-of-Technology-and-Business-Studies/Forskning/Solar-EnergyResearch-Center/Projects/Completed-projects/TPV---Thermophotovoltaic-cogeneration-Thermophotovoltaics/ http://s3tec.mit.edu/index.php?option=com_content&view=article&id=81&Itemid=130 http://iopscience.iop.org/0268-1242/18/5/314 http://www.structuredmaterials.com/antimon.html http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927024809002281 http://www.gizmag.com/sun-free-photovoltaics/19393/picture/138937/ http://www.adrants.com/images/why-hermes.jpg http://www.sciencetranslation.net/tag/photovoltaic/ http://scinewsblog.blogspot.cz/2011/12/mit-scientists-find-cheaper-way-to.html
27
Děkuji za pozornost
28
