Развитие нашей цивилизации требует всё больше и больше энергии. Это сегодня основная ее часть появляется за счет сжигания ископаемых, а когда-то давно люди пользовались куда более простыми источниками. Ветер гонит паруса и вращает лопасти мельниц, а солнце нагревает и освещает.

Но современное понимание исчерпаемости ископаемых ресурсов, как и вопросы экологии, привели к тому, что мы снова обратили внимание на неисчерпаемые природные ресурсы. Наша звезда посылает нам столько света и тепла, что игнорировать и не использовать их в своих целях просто безрассудно.

Бесконечный источник энергии у человека всегда под рукой

Рост генерации солнечной энергетики происходит чуть ли не по экспоненте. А в ее основе лежат, конечно же, технические решения. Человек научился преобразовывать солнечную энергию в постоянный ток, а не просто нагревать ею что-либо. И устройства, которые отвечают за такую трансформацию, называются солнечными панелями или солнечными батареями.

Кратко

• Как придумали солнечные батареи
  Принцип работы солнечных батарей
  От солнечной батареи к солнечной станции
  Такие разные солнечные батареи
  Эффективность солнечной батареи
  Где используются солнечные батареи
  Недостатки солнечных батарей
  Как утилизировать солнечные батареи
  Солнечная энергетика – часть светлого будущего

Как придумали солнечные батареи

Энергию солнца люди сперва могли использовать лишь для освещения и обогрева. Еще в Древнем Китае, Греции и Риме существовали соответствующие конструкции. Даже тогда концентрированный свет стал основой для розжига с помощью изогнутых металлических предметов. К XVIII веку люди приспособились использовать для этого стекло.

С активным изучением научным миром электричества в начале XIX века актуальными стали и вопросы его получения. В 1839 году юный 19-летний Александр Эдмон Беккерель, работая в лаборатории отца, зафиксировал любопытное явление. При освещении пластин платины, погруженных в раствор электролита, гальванометром фиксировалось появление электродвижущей силы. Эффективность устройства составляла всего 1%. Открытый фотоэлектрический эффект стал фундаментом рассматриваемой нами технологии. Впрочем, до практических результатов было еще далеко.

Эдмонд Беккерель – “отец” технологии

В 1886 году немец Генрих Герц открыл внешний фотоэффект, а через пару лет россиянин Александр Столетов подробно исследовал это явление и фактически создал первый в истории фотоэлемент. Но полностью объяснил происходящее сам Альберт Эйнштейн, опираясь на квантовую теорию. И Нобелевскую премию 1921 года он получил как раз за изучение фотоэффекта.

Появление полупроводников дало жизнь кремниевому фотоэлементу. При его освещении в зоне p-n перехода формируется разность потенциалов. Этот процесс годами изучала лаборатория Белла, пока 25 апреля 1954 года не было объявлено о создании первой в истории солнечной батареи. Сотрудники компании показали, как их установка питает небольшое колесо обозрения и радиопередатчик.

Первая солнечная батарея – результат налицо!

Эффективность устройства составляла всего 6%, но главное было, что оно работает! Новое эффектное изобретение сразу же привлекло внимание прессы и общественности. И уже через полтора года эффективность удалось увеличить в полтора раза. Вот только стоил элемент на 1 Вт целых 286 долларов, так что эта батарея массовым продуктом быть никак не могла.

А дальше конкуренция, холодная война и космическая гонка стали локомотивом развития технологии. В 1958 году и США, и СССР запустили свои спутники, которые использовали солнечные батареи. Они стали важнейшим и надежным источником питания космических аппаратов. Но тогда стоимость решения никого не интересовала. Вплоть до 90-х солнечные батареи были экзотикой, однако технический прогресс и появление новых материалов сделали технологию куда более доступной.

Черные панели на Спутнике-3 – это те самые первые космические солнечные батареи

Принцип работы солнечных батарей

В основе работы батареи лежит солнечный элемент. Его назначение заключается в генерации электричества за счет пойманного солнечного света. Элементы объединяются в крупные блоки – модули. Солнечная панель – это совокупность множества модулей, фактически, сотен элементов.

Солнечные элементы состоят из двух разных слоев кремния. Один – это полупроводник p-типа, в котором электронов меньше. В другом же, полупроводнике n-типа, наоборот, переизбыток электронов. Такая разница достигается добавлением других веществ, например, фосфора и бора.

Принцип генерации энергии солнечными панелями

Нагрев пластины сопровождается частичным поглощением энергии фотонов солнечного света. Её хватает, чтобы оторвать электроны от своих атомов. Движение электронов между слоями приводит к появлению напряжения.

От солнечной батареи к солнечной станции

Сам модуль батареи состоит из металлического листа-основы на котором размещено два слоя полупроводника p- и n-типа. Сверху нанесено антиотражающее покрытие, чтобы максимизировать поглощение излучения. Между элементами проложен тонкий металлизированный контакт с проводом для формирования сети. Сверху конструкция закрыта толстым защитным стеклом и окружена рамой.

Соединять в массив солнечные панели можно тремя способами: параллельно, последовательно и параллельно-последовательно. Такие варианты позволяют варьировать силу тока и напряжение. Выбор типа соединения зависит от потребностей периферийного оборудования.

От солнечных панелей к потребителю

Вырабатываемое панелью электричество питает аккумулятор. Его работа управляется контроллером. Если у аккумулятора высокий заряд, то солнечная панель отключается, и наоборот. В составе станции имеется и преобразователь, который превращает постоянный ток в переменный. Так можно получить классическое напряжение в 220 В, которым уже можно запитывать бытовые приборы.

Такие разные солнечные батареи

На рынке можно встретить немало разных видов солнечных батарей, в них нетрудно и запутаться. Удешевление технологий привело к развитию этой отрасли альтернативной энергетики, так что и продукция выпускается разнообразная, под соответствующие потребителю нужды.

Самые популярные солнечные батареи: кремниевые. Они бывают трех видов:

Монокристаллические. Эти панели производятся путем помещения кристалла в расплавленный кремний и последующей нарезки в форме прямоугольника. Такие батареи выделяются свои черным цветом, они относительно дорогие, но при этом и эффективные.

Два самых популярных типа солнечных батарей

Поликристаллические. Их основой являются пластинки, полученные при отливке раскаленного кремния в формы. Такое производство дешевле, но и эффективность его ниже. Зато хаотичное расположение микрочастиц кремния позволяет получать энергию даже при слабом освещении. Цвет панелей ближе к темно-синему.

Аморфные. В этой батарее кремния минимум, что определяет невысокую эффективность. Такой тип батареи хорошо сохраняет мощность при нагреве, как и чувствительность в условиях недостатка света.

В зависимости от типа материала встречаются и другие варианты батарей:

теллурид-калиевые;

полимерные;

органические;

на основе селена, галлия, индия и меди;

комбинированные или многослойные.

Солнечные батареи становятся гибкими и тонкими

Также батареи отличаются своими механическими свойствами. Эти устройства могут быть как жесткими, так и гибкими, тонкопленочными. Последний вариант особенно перспективен, ведь гибкие батареи можно устанавливать на самые разные поверхности, а не только ровные и прямые. Осталось лишь решить вопросы с эффективностью.

Эффективность солнечной батареи

Одним из главных критериев выбора солнечных панелей является их КПД. Это числовой показатель, который рассчитывается, как отношение вырабатываемой мощности к мощности падающего излучения. Чем выше эффективность, тем больше энергии можно получать с единицы площади. Показатели колеблются от 8% для тонкопленочных фотоэлектрических элементов до 23% для монокристаллических кремниевых конструкций.

Управление ориентацией позволяет повысить эффективность

Эффективность солнечной панели определяется не только выбором типа самого фотоэлемента, но и множеством довольно значительных факторов: географией установки (на юге солнца больше), углом наклона панели и ориентацией на солнце, грязью на поверхности, возрастом панели и т.д.

Где используются солнечные батареи

Самое очевидное применение солнечных батарей – солнечные электростанции. Это огромные по площади поля, генерирующие нешуточные объемы электричества. Самая крупная на сегодня электростанция обладает пиковой мощностью в 206 МВт и состоит из 3 миллионов солнечных модулей. И хоть это сравнимо с мощностью лишь небольшой ТЭЦ, “зеленая” альтернатива лишней не будет. Даже Apple построила свою небольшую электростанцию.

Крыша кампуса Apple – отличное место для установки солнечных панелей

Сама конструкция солнечной электростанции настолько несложная, что может быть воспроизведена и в личном хозяйстве. Неслучайно объемы продаж солнечных панелей год от года растут на десятки процентов. И это заслуга в том числе и частников. При грамотном подходе можно обеспечить свой дом электричеством от солнца на 100%, а излишки еще и продавать энергосбытовой компании.

Вообще список сфер жизни, где уже сейчас активно используются солнечные батареи, очень широкий. Например, для космоса используются самые передовые технологии, которые еще недоступны обычному потребителю. Солнечные батареи питают автомобили и суда, они обеспечивают автономное питание людям и объектам в удаленных местах.

Солнечные панели увеличивают пробег автомобиля

Для мощных потребителей такой вид энергетики является вспомогательным, но для многих экономичных устройств он вполне решает задачу обеспечения питанием. Электронные часы на солнечных батареях появились еще в 1976 году, а сегодня производители, в том числе Apple, активно задумываются над питанием от солнца наших главных гаджетов – смартфонов и часов.

Недостатки солнечных батарей

Основные недостатки солнечных батарей известны, они пока и ограничивают развитие этого направления энергетики.

Высокая стоимость. Построение объекта, который будет питать как минимум дом, потребует немалых вложений. Да и аккумуляторы – недешевое удовольствие. Отобьются же затраты через годы.

Необходимость выделения значительных площадей. Крупная солнечная электростанция – это целые поля, землю для которых еще надо найти. Да и показатель мощности на квадратный метр очень низок, заметно уступая традиционным источникам энергии.

Китайская солнечная электростанция – выглядит хоть и не слишком технологично, зато масштабно

Зависимость от Солнца. Солнечным панелям требуется свет. Ночью выработка электричества прекращается, да и в сумерках эффективность падает. А ведь именно вечером потребителям и требуется максимум энергии.

Недостаточная эффективность. Даже у лучших рыночных образцов эффективность едва превышает 22%. И этот параметр явно есть куда наращивать. Новые технологии, материалы и подходы позволяют планомерно, пусть и не стремительно, наращивать этот показатель.

Фактор экологии. Хотя сама энергия и считается “чистой”, в фотоэлементах часто встречаются ядовитые вещества, например, галогениды свинца. И вот тут уже актуальным становится следующий вопрос…

Как утилизировать солнечные батареи

С возрастом КПД солнечной батареи падает, да и новые технологии вынуждают выбирать более выгодные решения. Так что вопрос утилизации солнечных батарей довольно актуален. В фотоэлементах содержатся тяжелые металлы (свинец, кадмий), которые без должного за ними контроля могут попасть в окружающую среду. К тому же грамотная утилизация позволяет обеспечить вторичное использование деталей.

Утилизация солнечных батарей предусматривает несколько этапов:

Механическая разборка. Корпус разбирается на составляющие, из него извлекаются все компоненты: каркас, стекло, полимеры, фотоэлементы.

Разделение элементов. Материалы сортируются для последующей раздельной переработки. Тот же алюминий может пойти на создание нового каркаса.

И все это будет переработано и использовано снова!

Переработка опасных веществ. На этом этапе особое внимание уделяется самым опасным химическим элементам, чья утилизация должна проводиться в соответствии с экологическими нормами.

Переработка. Металлы ждет переплавка и новая жизнь, как и стекло. А оставшиеся элементы нагревают до 500 градусов. Это позволяет отделить пластик от креминия. Полимеры тоже пригодятся, а полученные пластины после очистки расплавляют. Эта масса пригодна для создания новых фотоэлементов.

Такой утилизацией занимаются центры, которые перерабатывают металл и стекло. На Западе утилизация нерабочих фотоэлементов – обязанность владельцев. На этой почве появилось и соответствующее направление бизнеса. Грамотная утилизация солнечных панелей – это и забота об окружающей среде, и экономия ресурсов.

Солнечная энергетика – часть светлого будущего

Трудно спорить с тем, что солнечная энергетика в будущем станет играть куда более значимую роль. Солнце является своеобразным “вечным двигателем”, который пытливые исследователи так и не создали. Осталось лишь научиться максимально эффективно использовать этот дар природы.

В космосе энергия лишней не будет

Доступность технологии обуславливает бурное внедрение солнечной энергетики во все новые и новые сферы нашей жизни. Собирать устройства с солнечными панелями могут даже дети. А человек всего за 100 лет прошел путь от теоретического понимания процесса до мощной промышленной выработки этим способом. 50 лет назад солнечные панели работали в космосе или служили в маломощных устройствах, сегодня же трудно без них представить частный дом.

В настоящее время солнечная энергетика является очень перспективной альтернативой традиционной энергетике. Пока всего лишь 4% электроэнергии вырабатывается нашим Солнцем. Но динамика изменений не оставляет сомнений, что солнечная энергия уже становится неотъемлемой частью нашего будущего.

• До ←

  ChatGPT-4 стал первым ИИ, который прошел Тест Тьюринга на человечность

• После →

  Apple начала продавать Vision Pro в Китае, Японии и Сингапуре