Solar oppladbart batteri: Fordeler, utfordringer og muligheter

- May 14, 2018-


Energispørsmålet er et evig tema i dagens verden. Det har ført til utvikling av elektroniske enheter, nye energikjøretøyer og smarte nett. Solenergi som en ren og bærekraftig energikilde kan gjøre opp for mangelen på batteriet, og batteriet kan gjøre opp for det intermitterende problemet med solenergi. Hvordan organisk integrere solceller og energilagringsceller? Nylig har Prof. Qiquan Qiao (Korresponderende forfatter) fra South Dakota State University i USA oppsummert, diskutert og ser frem til problemene som oppstår i utformingen av et integrert system for "solbatteri-energilagringsbatteri". Blant dem er de tre viktige parameterne i "Solenergibatteri-energilagringsbatteri" integrert system: energidensitet, effektivitet og stabilitet tolket en for en.


1. Behovet for integrerte solceller - energilagringsceller


Dagens masseforbrukere stole sterkt på energiteknologi og deres utvikling. De nåværende tre sentrale energirelaterte teknologiene er smart elektronikk, elektriske kjøretøy og smarte nett. Intelligente elektroniske produkter stole på batterier med begrenset kapasitet og krever bruk av kablede tilkoblinger for ofte å lade elektroniske enheter. Solenergi eller fotovoltaik gir mulighet for å lade batteriet, fordi solens energitetthet kan nå 100 mW cm -2 i sollys ute. I dag er et annet velstående marked elbilindustrien. Selv om elektriske kjøretøy ikke produserer karbonutslipp, kommer det meste av strømmen som brukes av kjøretøyene fra det fossile drivstoffdrevne kraftnettet. Med mindre kjøretøy bruker strøm fra fornybare kilder, er bærekraften til elektriske kjøretøy liten. I tillegg begrenser fordelingen av ladestasjoner også deres praktiske anvendelse. Distribuert generasjon som fotovoltaisk kraftproduksjon er den mest egnede lademetoden for elektriske kjøretøyer. En annen forgrunnsapplikasjon er strømnettet. Anvendelsen av fornybar energi er jevnt voksende. Det største problemet ved bruk av fotovoltaisk energi er mangel på sollys om natten eller i skyfri dager, noe som resulterer i intermittent strømforsyning under bruk. Denne intermittency kan resultere i effekt svingning utgang, som er et sentralt problem for grid applikasjoner. Derfor begrenser kraftselskaper kraften til fotovoltaisk kraft inn i nettet. Som et resultat er potensialet for fotovoltaisk kraftproduksjon ikke fullt ut utnyttet. Energilagringsbatteriet kan løse disse problemene. Batteriet kan lades på dagen og slippes ut om natten, noe som gir mulighet for fotovoltaisk kraftgenerering til strømnettet.


2. Sammenligning av tradisjonelle og avanserte "solbatteri-energilagringsbatteri" -systemer


Den tradisjonelle metoden for å bruke en solcelle til å lade opp et batteri er at de to systemene er utformet uavhengig (figur 1A), som involverer solcellen og energilagringscellen koblet til som to separate enheter etter ledninger. Slike systemer er ofte dyre, besværlige og ufleksible. De krever også en relativt stor plass. I tillegg kan eksterne ledninger føre til strømbrudd.


Kombinere produksjonskapasitet og energilagring i en enhet for å oppnå en integrert design vil effektivt løse energidensitetsproblemet med solceller og batterier. Denne utformingen har egenskapene til miniaturisering, noe som igjen reduserer kostnadene og øker det fotovoltaiske systemets praktiske egenskaper. Selv om det er mange fordeler, er det fortsatt store utfordringer når det gjelder effektivitet, kapasitet og stabilitet. For tiden er forskning på dette området fortsatt i sin barndom, og fokuset på forskning er hovedsakelig på utforming av materialer og enheter.


Integrerte fotovoltaiske cellesystemer kan implementeres i to forskjellige konfigurasjoner: tre elektroder (figur 1B og 1C) og to elektroder (figur 1D). I tre-elektrode-konstruksjonen benyttes en elektrode som en felles elektrode som en katode eller anode mellom fotovoltaiske enheten og batteriet. I to-elektrodekonfigurasjonen utfører de positive og negative elektrodene lyskonverteringsfunksjonen og energilagringsfunksjonen samtidig.

Solar oppladbart batteri: Fordeler, utfordringer og muligheter

solar battery and energy storage battery.jpg

Fig. 1 Uavhengig utforming av tradisjonell solcelle- og energilagringscelle (A), treelektrodeutforming (B og C) og toelektrodeutforming (D)


3. Design av binær separasjonstype "Solenergi-batteri-energilagringsbatteri"


Denne delen oppsummerer arbeidet med forløperens separasjon "solcelle-energi lagringscelle" -design. Silisium solceller, perovskite solceller og fargesensibiliserte solceller kan kombineres med litiumionbatterier i forskjellige former. Blant dem, fig. 2A og B viser at fire seriekoblede perovskite solceller brukes til å lade litiumionbatterier med en effektivitet på 7,36%. Qiao Qiquan-laget av papiret brukte transformatorer og maksimal effektpunktsporing for å realisere bruken av encelle perovskite solceller for å lade litium-ion-batterier. Effektiviteten nådde 9,36%. Resultatene av studien ble publisert på Advance Energy Materials (figur 2C). Og D).


Separated photovoltaic cell system..jpg

Figur 2 separert fotovoltaisk celle system

(A, B) Lading Li4Ti5O12 / LiFePO4 litium-ionbatterier ved bruk av fire perovskite solceller

(C, D) Lading Li4Ti5O12 / LiCoO2 litium-ion-batterier med hjelp av en DC-DC-omformer Bruk av en enkelt Perovskite Solar Cell


4. Integrert " Solenergi-batteri-energilagringsbatteri " -design


Det meste av designarbeidet på den monolitisk integrerte "solcelleenergilagringscellen" fokuserer på kombinasjonen av solceller og kapasitiv energilagring i stedet for batterier. Det integrerte systemet kan deles inn i tre typer design: (1) direkte integrasjon, (2) lysassistert integrasjon, og (3) redox-strømningsbatteriintegrasjon. Direkte integrering innebærer stabling av solceller og batterier sammen (unntatt redoxstrømbatterier). Lysassistert integrasjon bruker solenergi til å lade batteriet med bare en del av energien. Redox-flyt integrering innebærer bruk av redox-strømningsbatterier med soloppladning. Artikkelen gir en detaljert oppsummering av arbeidet med disse tre forgjengernes former. Figur 3, 4 og 5 er deres typiske representanter.

directly integration.jpg

Figur 3 direkte integrasjon


Et skjematisk diagram av (A) utformingen av et tre-elektrode silisiumsolcellefylt Li4Ti5O12 / LiCoO2 litiumionbatteri og (B) fotolading / konstant strømutladningssyklusytelse. Det (C) skjematiske diagrammet for toelektrode-konstruksjonen med blandet fargestoff og litiumjernfosfat som den positive elektroden og litiummetallet som den negative elektroden og ladingsprosessen og (D) ladning / utladningspenskurven.


Photoassisted charging integration..jpg

Figur 4 Optisk Assist Charge Integration


Den (A) skjematiske av den fargesensibiliserte TiO2-fotoelektroden og oksygenelektroden til litium-oksygencellen er integrert med (B) ladningskurven. Dye sensibiliserte solceller integrert med Li / LiFePO4 litiumionbatteri (C) skjematisk og (D) lysassistert ladeprofiler.


Integration of solar and liquid - flow batteries..jpg

Figur 5 Integrering av sol og strømbatteri


Et skjematisk diagram av et soloppladbart redoxflowbatteri (A) basert på en Li2WO4 / LiI-dobbeltfaselektrolytt og (B) en fotoladnings- og konstantstrømutladningsspenningskurve. En integrert (C) skjematisk av en dual silicon fotoelektrokjemisk celle og et vismut / brom redox strømningsbatteri, (D) konstant strøm utladningskurve og (E) total effektivitet.


5. Tekniske utfordringer og muligheter


5.1 Energidensitet


Konvensjonelle litiumionbatterier bruker ofte en emballasjemetode av rulleform for å øke deres energitetthet, men det er ikke mulig for et integrert system for "solbatteri-energilagring". Fordi litiumionbatteriets emballasje påvirker området som mottar solenergi. Antallet og kraften til solceller må samsvare med energilagringsdelen for å løse det tilgjengelige PV-overflatearealet, antall mulige stablede celler og krafttilpasningskravene. Bruken av høye spesifikke kapasitetsmaterialer som elektroder kan øke systemets totale energidensitet. For eksempel har silisium-NMC-batterier en energitetthet på 400 kW / kg, og silisium er et fotovoltaisk materiale hvis silisium kan brukes som et litiumion i et integrert system. Elektrodene kan også brukes som fotovoltaiske elektroder, som vil være en ideell design. Silisium solceller krever en høy grad av krystallinitet, og innsetting av litium vil redusere krystalliniteten av silisium, noe som krever å finne et optimalt balansepunkt. Studien av litiummetallbatterier gir også muligheten til å øke systemets totale energidensitet. I tillegg er det blitt rapportert i litteraturen om at fotokonversjonsmaterialet perovskitt har vist seg å ha mulighet til å interkalere litiumioner, og at dop lithiumioner i perovskites har en positiv innvirkning på dets fotovoltaiske ytelse, noe som gjør det mulig for perovskittene å bli integrerte fotovoltaiske celler. System med høy kapasitet med tofunksjoner. For applikasjoner som krever høyere volumetrisk energi, vil det være mer hensiktsmessig.


5.2 Total effektivitet

solar battery energy storage battery.jpg

Figur 6 Effektivisering av integrerte solceller-energilagringscellesystemer de siste årene


Den totale effektiviteten til det idealiserte integrerte systemet er produktet av solenergi-konverteringseffektiviteten og energilagringssystemet. Den maksimale effektiviteten som det integrerte systemet kan oppnå er begrenset av solenergi konvertering effektivitet. I virkeligheten må effektiviteten til det integrerte systemet i design også ta hensyn til ulike tap. Silisium solceller og perovskite batterier kan gi mer effektiv fotoelektrisk konvertering og gi bedre total effektivitet i integrerte systemer. En annen faktor for å vurdere om solcellen skal gi større effektivitet, er maksimal strømsporing (MPPT), som gjør det mulig for solcellen å gi maksimal effekt. For energilagringsbatterier må de mest passende positive og negative elektrodene velges for å maksimere Coulomb effektivitet.


5.3 Stabilitet


Stabilitet må vurdere lysstabilitet, elektrokjemisk stabilitet og miljøstabilitet, som krever nøye utvalg av elektrodematerialer. Selv om folk har gjort gledelig fremgang i studiet av stabiliteten til perovskite solceller, er de fremdeles på et foreløpig stadium av forskning. Hvis perovskite er valgt som fotovoltaisk del av det integrerte systemet, er det behov for større forskning på perovskites. Bryte igjennom. Bruken av flytende elektrolytt bidrar heller ikke til stabiliteten i systemet, du kan velge å bruke solid elektrolytt for å forbedre systemets generelle sikkerhet og stabilitet. Fordi solcelledelen vil generere varme, må høytemperaturytelsen til energilagringscellelektrodematerialet vurderes samtidig.


6. Fremtidige retningslinjer og utsikt


Det integrerte "solbatteri-energilagringsbatteri" -systemet er fortsatt i det tidlige stadiet av forskning og utvikling. Litteraturrapporteringene hittil har fokusert på muligheten til nyskapende materialutvikling og nye utstyrsdesign. Fremtidig forskning bør fortsette å utvikle seg i denne retningen. Den nye designen må kombineres med høy kapasitet, høy effektivitet og mer stabile materialer. Optimalisering av det integrerte systemet kan bruke følgende strategier, for eksempel bruk av energikonvertering og lagring av tofunksjonsmaterialer, bruk av store lagringsenergilagringsmaterialer, maksimal strømsporing, integrerte litiumionskondensatorer, bruk av solid- tilstand elektrolytter, forbedret kompatibilitet mellom elektrokjemiske elektroder og elektrolytter, etc.. Integrerte systemer kan bruke simulerings- eller modelleringsmetoder for å bedre forutsi systemytelsen og gi bedre designløsninger for integrerte systemer. I tillegg skal fremtidig innsats kombinere integrasjonen av "solbatteri-energilagringsbatteri" -systemer med praktiske anvendelser som sensornettverk, slitasjeutstyr og elektroniske enheter. Selv om den nåværende kommersialiseringen av "Solar Battery-Energy Storage Battery" integrert system fortsatt har en lang vei å gå, vil utviklingen i stor grad dra nytte av den nåværende raske fremgangen innen fotovoltaisk og batteri. Dens fremtidige utvikling vil også være rettet mot lavt strømforbruk, kompakte applikasjoner, og deretter til store energiforbruk.


---- http: //www.cnsolarcharger.com