Ручное солнце
Как изобретали солнечную батарею и к чему это привело
Сто лет назад американский физик Роберт Эндрюс Милликен опытным путём подтвердил эйнштейновское уравнение, описывающее явление фотоэффекта, на основе которого работают панели современных солнечных электростанций.
В 1905 году, который вошёл в историю физики как «Год чудес» из-за большого количества революционных открытий, Альберт Эйнштейн, опираясь на гипотезу Планка о квантовой природе света, описал явление фотоэффекта специальным уравнением. За эту работу в 1921 году он получил свою первую Нобелевскую премию.
Роль американца Роберта Милликена в этом открытии чисто практическая – он экспериментально подтвердил изыскания Эйнштейна и на основании его работ вычислил постоянную Планка – ключевое понятие квантовой физики. Казус в том, что Милликен сначала не хотел признавать результатов собственных экспериментов, считая корпускулярную теорию света Эйнштейна радикальной. Уже закончив опыты, Милликен писал в 1916 году: «Уравнение фотоэффекта Эйнштейна…, по моему мнению, не может рассматриваться как имеющее хоть какое-то удовлетворительное теоретическое обоснование», – даже если «оно действительно очень точно описывает процесс» фотоэффекта. В 1923 году Милликен был удостоен Нобелевской премии в области физики «за работы по определению элементарного электрического заряда и фотоэлектрического эффекта».
Кто ещё «гнался за солнцем»
Разумеется, было бы ошибочным приписывать лавры «отцов» солнечной энергетики только Эйнштейну и Милликену. Историки науки утверждают, что первым обратил внимание на связь света и электричества французский физик А. Э. Беккерель. В 1839 году, проводя опыты, он открыл так называемый фотовольтаический (фотогальванический) эффект, при котором в веществе под воздействием света возникает напряжение, или электрический ток.
А вот мнения о том, кто создал первый фотоэлектрический элемент, расходятся. По одной из версий, 1883 год можно считать годом начала практической солнечной энергетики. Именно тогда американский инженер Ч. Фриттс создал прототип солнечной батареи. Его элемент был изготовлен из покрытого золотом селена и имел КПД 1%. То есть из 100% солнечного света в электрическую энергию превращался только один. И всё равно Фриттс считал свою «батарейку» революционной, что недалеко от истины.
Изучал фотоэлектрические процессы и русский физик Александр Столетов. Он установил эмпирическую связь между величиной фототока и световым потоком, падающим на образец (так называемый 1-й закон фотоэффекта). В 1888 году Столетов начинает исследование фотоэффекта, открытого за год до этого Генрихом Герцем. Эти исследования, продолжавшиеся два года, принесли учёному мировую известность. В рукописях Столетова сохранилась схема установки – также прообраза солнечного элемента, на которой он проводил свои эксперименты. Основная часть установки – конденсатор, состоящий из металлической сетки – анода и плоского металлического диска – катода. При освещении катода светом вольтовой дуги гальванометр фиксировал наличие тока в цепи.
Большой вклад в создание прототипов солнечных батарей сделал итальянский учёный армянского происхождения Джакомо Чамичан. В 1912 году на 8-м Международном конгрессе по прикладной химии, представляя проект своей солнечной батареи, он так описывал энергетическое будущее человечества: «На засушливых землях будут возникать промышленные колонии без дымящихся труб; леса стеклянных трубок будут распространяться на равнинах, и стеклянные здания будут расти везде; внутри них будут проходить фотохимические процессы, которые до настоящего времени были неведомой тайной растений, но всё это будет освоено человеческой цивилизацией, которая будет знать, как получить ещё более обильные плоды… И если в недалёком будущем запасы угля будут полностью исчерпаны, цивилизация не пропадёт, а будет существовать до тех пор, пока светит солнце!»
В Советском Союзе опытные сернисто-таллиевые фотоэлементы были созданы под руководством академика Абрама Иоффе в 1930-х годах. Однако первые «настоящие» солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников появились лишь в 1954-м. Их изготовили специалисты компании Bell Laboratories Кельвин Фуллер, Дэрил Чапин и Геральд Пирсон. КПД батарей равнялся 4%. 17 марта 1958 года был запущен американский спутник Vanguard 1, на котором были установлены такие батареи. А 15 мая 1958 года в космос отправился советский Спутник-3 также с кремниевыми солнечными батареями на борту.
Ещё одной крупной вехой в истории освоения солнечной энергии можно считать запуск первой коммерческой СЭС Lugo в США в 1982 году. Её мощность составила… 1 МВт.
Проблемы и перспективы «приручения» звезды
Прошли десятилетия, но низкая производительность фотоэлементов по-прежнему остаётся головной болью энергетики, основанной на преобразовании энергии света в электричество. То есть, имея неограниченный ресурс в виде Солнца, мы пока не можем создать эффективные солнечные батареи, которые бы «похоронили» прочие виды генерации. КПД серийно выпускаемых сегодня солнечных панелей лежит в пределах 15–20%, хотя, по расчётам, с одного квадратного метра площади можно получать мощность до 130 Вт.
Ещё одна проблема солнечной генерации, основанной на полупроводниковых панелях, заключается в том, что выработка энергии возможна только в светлое время суток. А ведь потребность в дополнительном электричестве для освещения возникает как раз вечером. Выход заключается в создании эффективных промышленных аккумуляторов, которые могли бы отдавать электроэнергию, выработанную СЭС, когда генерация не осуществляется. Но пока таких накопителей нет.
Вызывает вопросы и «экологичность» СЭС. Во-первых, тысячи тонн отслуживших свой срок панелей, содержащих вредные вещества типа кадмия, нужно как-то утилизировать. Во-вторых, СЭС большой площади из-за сильного нагрева атмосферы над ними способны изменять микроклимат региона, в котором они установлены, и не всегда в лучшую сторону.
Тем не менее объём солнечной генерации за рубежом сегодня составляет уже более 220 ГВт. Лидируют в этой области Германия, США, Индия и Китай. Немецкие солнечные станции обеспечивают страну пятой частью электроэнергии, в России же их доля в электрогенерации меньше 1%. Установленная мощность солнечных электростанций, построенных В России за последние два года составляет порядка 70 МВт (станции расположены в Оренбургской области, Республиках Алтай, Башкортостан, Дагестан и Хакасия). Кроме этого пять парков солнечной генерации есть в Крыму — общей мощностью 220 МВт, и одна небольшая СЭС в Якутии — 1 МВт. Однако согласно государственной программе развития СЭ, до 2020 года в России должны быть построены солнечные электростанции суммарной мощностью 1,5 ГВт. Этой задаче, в частности, способствуют два постановления, подписанных недавно Дмитрием Медведевым. Первое устанавливает порядок и условия предоставления из федерального бюджета субсидий для компенсации стоимости технологического присоединения малых генерирующих объектов ВИЭ с установленной генерирующей мощностью не более 25 МВт. Второе – призвано стимулировать производство оборудования для СЭ, конкретно – передовых технологий, основанных на физическом явлении HIT-гетероперехода, позволяющем совмещать кристаллическую и тонкоплёночную технологии производства полупроводников для батарей.
Источник
История разработки и применения солнечных батарей
Использование альтернативных источников электрической энергии сегодня является довольно популярным. Многие люди устанавливают солнечные батареи, позволяющие отапливать помещения и нагревать воду, используя энергию Солнца. Такие устройства появились довольно давно. Об истории их создания и применения вы узнаете из настоящей статьи.
Первые разработки
Над возможностью применения солнечной энергии для своих нужд задумывались ещё древние люди. Мы можем судить о наличии попыток её использования по легендам, мифам и некоторым сохранившимся писаниям. Так, например, одна из легенд гласит, что Архимеду удалось уничтожить флот врага, используя систему зажигательных зеркал. Около трёх тысяч лет назад на территории современной Турции для отопления султанского двора использовали воду, которую подогревали с помощью энергии Солнца.
Но настоящие попытки научного исследования энергии солнца, а также её применения в быту начали появляться в восемнадцатом веке. Возникновение первых солнечных отопительных приборов произошло во Франции. Но наличие взаимосвязи между светом и электрической энергией впервые обнаружил Генрих Герц. Именно этот учёный смог установить взаимосвязь между ультрафиолетом и возникновением разряда между двумя элементами, служащими проводниками электроэнергии. Ранее подобными исследования занимался Эдмон Беккерель. Именно он при работе с электролитами обнаружил фотоэлектрический эффект. Произошло это в 1839 году. Спустя 44 года английский инженер Уиллоуби Смит выявил наличие фотопроводящих свойств у селена.
Прообраз первого фотоэлемента был создан российским учёным Александром Столетовым. Но исследования на этом не прекращались. И уже в прошлом веке известный учёный Альберт Эйнштейн представил миру такое явление, как фотоэффект. Его сущность заключается в отрывании заряженных частиц от поверхности одного вещества под воздействием иного. Впоследствии в мире стали появляться фотоэлементы на основе селена, талия, комбинации меди и талия, а также кремния. Именно последнее вещество позволило получить фотоэлементы, КПД которых был намного больше созданных ранее.
Первая солнечная батарея появилась в пятьдесят третьем году прошлого столетия. С момента открытия фотоэлектрического эффекта прошло более века прежде, чем мир увидел первый солнечный элемент.
В СССР разработками в данной сфере занимались, в частности, специалисты из Физико-технического института Академии Наук под руководством известного академика А. Ф. Иоффе. Именно его ученики в 1938 году смогли создать первый в своём роде фотоэлемент, коэффициент полезного действия которого составлял всего один процент.
Исследования в данной отрасли ведутся по сей день. В 2003 году были созданы особые фотоэлектрические модели со стационарными концентраторами. 2009 год ознаменовался, в частности, включением в список лучших изобретение патента на полупроводниковый фотоэлектрический генератор. Новым матричным элементам присущ КПД, составляющий примерно двадцать пять процентов.
Современное устройство — это особая система, состоящая из нескольких взаимосвязанных элементов. Благодаря специфической структуре, а также использованию принципа фотоэффекта, солнечные батареи обладают уникальной способностью преобразования света, исходящего от Солнца, в электрическую энергию.
Первые устройства применялись в отдалённых местностях (в частности, в селе) с целью обеспечения питания систем телефонной связи. Появились они благодаря французу — Огюсту Мушо, который в конце девятнадцатого века представил особое устройство, способное фокусировать лучи на паровом котле посредством зеркал. Оно обладало способностью приводить в действие печатную машину, которая выдавала около пятисот экземпляров газеты в течение одного часа. Прошло всего несколько лет — и в Соединённых Штатах Америки появился похожий аппарат, но его мощность составляла уже пятнадцать лошадиных сил.
В семидесятых годах прошлого века первые дешёвые солнечные батареи были выпущены с конвейера нефтяной компании Exxon Corporation. Это событие поспособствовало снижению стоимости солнечной энергии в пять раз. Если раньше один Ватт оценивался в 100 долларов США, то после этого его цена составила всего 20 долларов. Упомянутая компания начала применять солнечные батареи на буровых установках (как газовых, так и нефтяных).
В апреле 2015 года Китай сделал предложение ВИЭСХ о покупке кремниевых солнечных систем. Их стоимость в зависимости от КПД варьируется в пределах 0,28-0,32 долларов США, Безусловно, стоимость солнечной энергии в Европе на сегодняшний день гораздо выше, но она всё же не сравнима с той, что была изначально. Всего за полвека цена на солнечные модули снизилась в две с половиной тысячи раз. Например, в Китае сегодня можно приобрести инвертор мощностью в сто киловатт за семь тысяч долларов США.
Система, способная преобразовывать солнечную энергию в электричество, обязана состоять из:
- Специального материала-полупроводника, в качестве которого может выступать моно- или поликристаллический кремний в совокупности с другими химическими элементами.
- Тонкого слоя элемента, назначение которого заключается в создании противодействия движению электронов.
- Источника электропитания.
- Аккумулятора.
- Контроллера.
- Инвертора-преобразователя.
- Стабилизатора напряжения.
Именно таким образом выглядит современная конструкция системы солнечных батарей.
Использование солнечных батарей в различных странах
Всего несколько таких устройств позволяют снабдить электрической энергией небольшую деревню. В тех странах, где Солнце является особенно активным, уже давно функционируют солнечные электростанции. Речь идёт об Испании и Индии, а также Саудовской Аравии и южной части Соединённых Штатов Америки.
Современные учёные уже работают над вопросом возведения солнечных электростанций за пределами атмосферы. Это позволит более эффективно использовать солнечную энергию, поскольку там она не рассеивается. Специалисты предлагают переводить излучение в микроволны и транспортировать на Землю.
Сегодня многие страны задумываются о производстве и применении солнечной энергии. Лидерство в этой отрасли принадлежит трём странам. Это Соединённые Штаты Америки, Германия и Япония. Но данное направление стремительно развивается и в Российской Федерации. Наибольшее количество установок по производству солнечной энергии на сегодняшний день построено в Краснодарском крае. Также в списке присутствуют Республика Дагестан, Ставропольский и Хабаровский край, Бурятия и Костромская область.
Производство солнечных батарей сегодня увеличивается с каждым днём. Наибольшее их количество выпускается, как это неудивительно, в Китае, где производится почти треть продукции всего мирового рынка. Большая её часть отправляется на экспорт в европейские страны, а также Соединённые Штаты Америки. В последних, к слову, потребляют больше всего солнечной энергии, а производят всего около шести процентов от общемирового количества.
В Японии и Германии производят немного меньше солнечной энергии, чем в Китае. На четвёртом месте в общемировом рейтинге находится Тайвань.
Использование солнечной энергии для бытовых нужд
Если говорить о частном домовладении, то сегодня практически каждый желающий может установить на крыше своего строения солнечные панели. Они могут служить для отопления помещений, а также подогрева воды. С помощью специалистов можно грамотно организовать такую систему и с успехом использовать её.
Также солнечные батареи начинают применять в автомобилестроении. Они являются основой столь популярного на сегодняшний день экологически безопасного транспорта. Современный автомобиль, работающий от солнечной батареи, может развивать скорость до 135 километров в час.
Солнечные батареи также используются в космонавтике, где снабжают электричеством всех систем космических станций и позволяют обеспечить бесперебойную работу всех механизмов.
Исходя из всего вышесказанного, можно заметить, что за солнечными батареями — будущее. Если вы хотите получить экономичный и экологически чистый источник электрической энергии, установите солнечную батарею.
Источник