Содержание
Солнечная батарея – это преобразователь лучистой энергии в электрическую с использованием разнообразных эффектов.
Солнечные батареи
Предпосылки использования солнечных батарей
В период с 1965 по 1985 год мощность солнечных батарей возросла от единиц ватта до сотен киловатт. Одновременно до 20% повысился КПД. Но главное – стала наконец-то снижаться стоимость! Установлено, что в районах севернее 45 градусов по широте не всегда целесообразно применять, к примеру, солнечные коллекторы для получения горячей воды, зато батареи неизменно дают положительный экономический эффект. При суммарном годовом солнечном потоке в 1200 кВт ч/ кв. м удаётся:
- обеспечить нужды отопления на 25%;
- получить горячей воды – до 50%;
- обеспечить системы поддержания микроклимата на 75%.
Подобная цель требует ответственного подхода. Сегодня Европа переходит на батареи, из опасения, что Гольфстрим, несущий тёплые воды к берегам Великобритании с экватора, пропал… Якобы пульсация течений, обусловленная некими причинами, регулирующими наступление ледникового периода, привела к изменению потока.
Учёные считают, что аварии, связанные с нефтью, в Мексиканском заливе ещё проявятся касательно глобальных изменений климата. Сегодня страны Старого света охотно поддерживают все, что связано с батареями и использованием энергии ветра. Созданы программы, разрешающие местному населению… закачивать электричество в сеть натуральным образом.
Доля потребления электроэнергии снижает уровень загрязнения окружающей среды продуктами сгорания жидких видов топлива. В Европе большинство правительств выкупает энергию, подобная батарея владельцу позволяет сократить до нуля траты, вдобавок – заработать. Подсчитано, что средняя семья тратит 3000 кВт ч в год. Для обеспечения потребности на туманном Альбионе понадобится 12 панелей по 280 Вт. В сумме цена составляет 12000 долларов. В РФ после ситуации с Крымом это не выглядит дёшево, но для среднестатистической европейской семьи приемлемо.
Затраты на электроэнергию
История развития методик использования солнечной энергии
Ходят слухи, что в VII веке до нашей эры увеличительные стекла использовали для сжигания муравьёв и разведения огня. В Древнем Риме и Греции направляли концентрированные солнечные лучи для разжигания факелов в храмах. Свет применяли в военных целях. В 212 году до н. э. при обороне Сиракуз Архимед пробовал поджечь флот римлян, отражая лучи от бронзовых щитов. И хотя успех не был достигнут, позднее, в 1973 году, военно-морские силы Греции сумели уничтожить лодку аналогичным образом с расстояния 50 метров.
В Византии настолько были популярны ярко освещённые днём комнаты, что кодекс Юстиниана трактовал понятие права на солнце. В 1767 году швейцарский учёный Орас Бенедикт де Соссюр впервые применил энергию светила для готовки пищи. Прибор назвали печью, напоминал рефлектор спутниковой тарелки. Уместное название в свете кулинарной темы. Позднее сэр Джон Гершель применял подобные в экспедиции по Северной Африке.
Фотовольтаический эффект открыт Эдмоном Баккерелем в 1839 году. При исследовании пластин платины и золота, погруженных в среды с различной кислотностью он обнаружил образование электрического потенциала. Вильям Гриллс Адамс и Ричард Эванс Дэй обнаружили, что между платиной и селеном образуется пара, способная демонстрировать фотовольтаический эффект. Прежде отмечался исключительно в жидких средах. Это доказало факт, что твёрдые тела способны вырабатывать электричество без механического движения за счёт единственной энергии солнца. Суммарный эффект оказывался, впрочем, слишком низок для коммерческого применения в батареях.
В 1880 году благодаря Сэмюэлю Лэнгли появился на свет первый болометр для оценки мощности свечения небесных тел. По величине разности потенциалов определялась искомая величина. Применялся обыкновенный фоторезистор, но подобные исследования постепенно заложили элементную базу для создания будущих солнечных батарей. Тремя годами позднее Чарльз Фритс создал первые образчики на основе селеновых пластин.
Создатель первого болометра Сэмюэль Лэнгли
Постепенно наука постигала строение солнечного спектра. Обнаружено, что невидимые лучи оказывают сильное влияние на материалы. К примеру, ультрафиолет вызывал в разряднике искру при низком напряжении между металлическими электродами. Разными путями наука шла к созданию солнечных батарей. Пока Альберт Эйнштейн объяснял фотоэлектрический эффект (в 1921 году награждён Нобелевской премией), польский учёный Ян Чохральский сумел вырастить монокристалл кремния. Современники не усматривали связи, но сегодня мы видим, как оба явления используются в солнечных батареях.
Наконец, в 1932 году фотовольтаический эффект продемонстрирован на базе сульфида кадмия, сегодня чаще применяется теллурид. К 1953 году обрисовалась теоретическая база для расчёта эффективности материалов для применения в составе батарей. Дата рождения технологии: в Лабораториях Белла Кельвин Фуллер и Джеральд Пирсон создали первую ячейку на кремниевых листах. Изначально КПД солнечной батареи составлял 4%, позднее подняли до 11%, а у современных моделей достигает 21. Это уже достойная конкуренция лампочке накала с разницей, что лучи солнца пока бесплатные.
На западе цены таковы, что по удельной стоимости кВт ч батареи способен тягаться с ископаемыми горючими ресурсами планеты. Технология запатентована, и в США появился первый бизнес-центр с обогревом воды солнечной энергией. Как известно, в 1958 году на орбиту вышел первый спутник, питающийся частично от силиконовых ячеек. Дальнейший ход событий очевиден: конструкция дешевела, становилась меньше и эффективнее. В 1981 году Маккреди изготовил первый самолёт, питающийся энергией солнечных батарей.
В 1999 году на Таймс Сквер появился первый небоскрёб, где южный и западный фасады этажей с 37 по 43 представляли силиконовые листы ячеек.
Первый небоскрёб. Таймс Сквер.
Как работают солнечные батареи
Внутри находится плёнка из кремния, окружённая со всех сторон слоем прозрачного материала. Физический смысл фотовольтаического эффекта: энергия фотонов выбивает электроны с насиженных мест в зону проводимости, образуются свободные носители зарядов. Для приведения их в движение используется потенциал Гальвани, образующийся в месте контакта двух разнородных материалов. Фаза бывает твёрдой и жидкой.
В спокойном состоянии, без излучения солнца, за счёт потенциала Гальвани на границе раздела образуется двойной слой зарядов, известный по описаниям процессов, протекающих в p-n-переходе. Потом система приходит в равновесие и ничего не происходит. В результате среда превращается в изолятор, все заряды заняты.
Когда солнечные лучи попадают на поверхность – её стараются сделать по возможности обширной – образуется масса незанятых электронов. Они увлекаются полем, создавая движение, начинают рекомбинировать на границе. Процесс продолжается, пока среда остаётся проводимой, пока энергия фотонов помогает освободиться электронам в солнечной батарее.
Это выглядит странно: если бы материалы с разностью Гальвани обнаруживали сверхнизкое сопротивление, вырабатывали бы ток без помощи Солнца. В природе эффект неизвестен, а искусственно создать у теоретиков не получается – мешают практики. Итак, ценой за вырабатываемое электричество служит энергия фотонов солнца. Так работает устройство.
Вольтаж зависит от площади фотовольтаической ячейки, ток набирается за счёт последовательного их включения. В современных модулях набирается 48 – 72 штук. В результате при напряжении 25 – 40 В они дают 150 – 300 Вт каждая. В конструкции применяются специальные материалы. Постепенно с ходом истории открывались новые. К примеру, с 1873 года известна фотопроводимость селена.
Чтобы результативно использовать энергию, приходится преобразовывать её в удобоваримую форму. Устройство в виде солнечной батареи в составе содержит инвертор, занимающийся преобразованием тока в переменный, снабжая потребителя. Вдобавок часть энергии солнечной батареи запасается в аккумуляторе. Как правило, инвертор единственный на множество ячеек. КПД современных вариантов исполнения достигает 97%, причём насчитываются умные опции, по типу максимальной эффективности использования фотовольтаических элементов.
Характеристики солнечных батарей
Любая подобная батарея характеризуется относительно пиковой мощности, образующейся при плотности потока в 1000 Вт на квадратный метр. Что эквивалентно солнцепёку в тропиках. Система с пиковой мощностью 1 кВт занимает по площади 5 – 14 квадратных метр, в зависимости от типа материала и прочих факторов.
Главной характеристикой солнечных батарей считается цена. В РФ комплект в 3000 кВт ч встанет в сумму в пределах миллиона рублей.
Эффективность солнечных батарей не слишком высока, но умные головы уже думают в указанном направлении. Установлено, что для материала, проявляющего фотовольтаические свойства, характерна оптимальная область спектра. Уже внесены предложения лучи разбивать при помощи фильтров на составляющие и каждую направлять в нужное русло. Таким образом, удастся в разы повысить КПД. Уже сейчас в разработке находятся системы, где параметр зашкаливает за 40%. Понятно, что в цену батарей включаются и затраты на проектирование.
Покупать ли солнечную батарею
В 2000 году семья Мориссонов общим числом восемь человек из штата Колорадо (США) установила в доме самую крупную на тот момент из зарегистрированных батарей. Её мощность достигала 12 кВт. История умалчивает, сколько пришлось хозяину заплатить за подобный изыск, но даже сегодня оборудование стоит целое состояние. Скажем, 40 тыс. долларов.
Россиянам пока о бесплатной энергии не стоит беспокоиться. Полагаем, конце концов космические технологии окажутся на крыше в доме у каждого.
