Обойтись без энергии Солнца в современном мире невозможно – на ней работает огромное количество техники, включая электрокары и бытовые приборы. Мы расскажем, как человечество пришло к повсеместному использованию солнечных батарей, какие существуют разновидности и кто является лидерами производства.
Появление первых солнечных батарей
Интерес к преображению солнечной энергии был у человечества всегда. Первыми были придуманы термальные электростанции, где в качестве источника электричества использовалась обычная вода, которую нагревали до 100 градусов лучи солнца. Но в процессе трансформации терялось огромное количество энергии. Более «продвинутой» версией стали солнечные батареи, которые смогли давать прямой электрический заряд.
Используемые сегодня модели представляют собой цепь полупроводников, которые производят фотоэлектрический эффект. Первым процесс преображения заметил Александр Эдмон Беккерель еще в 19 столетии, а создателем первого фотоэлемента считается русский физик А. Столетов. Большую роль в развитии данного направления сыграл также Альберт Эйнштейн, который спустя столетие дал количественную оценку явления, что стало толчком для массового производства батарей.
Как они работают?
Основными компонентами батареи являются фотоэлементы, состоящие из материала с атомами, у которых либо недостает электронов, либо есть лишняя частица. Их называют, соответственно, р-типом и n-типом. Первый используется как анод, второй – как катод. Солнечные лучи способны перемещать частицы из n-слоя, после чего они автоматически перемещаются в р-слой, где занимают пустующие места. Процесс повторяется многократно за счет того, что после выхода из р-слоя электроны под воздействием аккумулятора снова перемещаются в n-слой.
Первоначально в качестве полупроводника использовался селен, но из-за низкого КПД, не превышающего 1%, ученые продолжали искать более подходящий материал. Им стал кремний, использованный в производстве фотоэлемента специалистами Bell Telephone. В настоящее время его также активно применяют, но из-за высокой стоимости предварительной очистки многие компании переходят на соединения кадмия, индия, галлия и меди.
Чтобы добиться необходимой для питания техники мощности, полупроводниковые элементы соединяют в цепи, создавая панели. Среди особенностей конструкции современных солнечных батарей можно отметить:
- прочное защитное покрытие снаружи (из закаленного стекла либо специального пластика);
- монтаж с возможностью замены фотоэлементов по отдельности.
Классификация
Основным параметром, по которому выделяют разные виды солнечных батарей, является мощность генерируемого электричества, что в свою очередь обусловлено площадью принимаемых панелей и конструктивными особенностями. Нужно также понимать, что интенсивность светового потока везде разная, например, в нашей стране при большой облачности она составляет всего 100 Вт, а на экваторе доходит до 1кВт.
Если отталкиваться от среднего показателя в 500Вт, но наименее мощными являются преобразователи аморфного, фотохимического и органического типа. В последнем КПД составляет 5%, а в первых двух достигает 10%, что позволяет вырабатывать на 1 кв. м 25 Вт или 50 Вт, соответственно. Панели с фотоэлементами из кремния обеспечивают до 20-25% КПД, что позволяет вырабатывать до 125 Вт на один квадратный метр. Выше процент эффективности только у приборов из арсенида галлия (более 30%). Что касается площади, то сейчас можно подобрать оптимальный вариант с учетом индивидуальных потребностей, например, для стационарной эксплуатации существуют панели на 200 Вт, а для мобильного применения – вариации на 10 Вт.
Интересно, что при увеличении температуры воздуха значительно уменьшается показатель КФП преобразователей. Также негативно сказывается на работе батареи затемнение части площади «листа».
Лидеры мирового производства
Ведущие позиции удерживают компании из Китая, Соединенных Штатов Америки и Японии:
- First Solar – американский производитель, который занимается также сооружением СЭС, в том числе они принимали участие в создании самой мощной в мире электростанции на солнечной энергии – в Агуа-Калиенте в штате Аризона.
- Sharp Solar.
- Trina Solar.
- Suntech – китайская компания, которая получила мировую известность благодаря оборудованию пекинского стадиона «Птичье гнездо» перед Олимпиадой 2008 года. Уникальность проекта заключалась в накоплении энергии солнца в течение дня для последующего использования во время матчей для освещения пола, системы полива травы и питания электрооборудования (камер, софитов, табло).
- Yingli.
В Украине самой мощной является СЭС «Перово» – её проектированием и монтажом занимались австрийские специалисты, сотрудники компании Activ Solar.
В заключение
Трудно представить, что еще 20 лет микрокалькуляторы с батарейкой, работавшей годами, были настоящей редкостью, а сейчас на каждом шагу можно увидеть смартфоны с интегрированной солнечной панелью в мини-формате. Больше того, уже созданы и активно используются автомобили и даже беспилотники, функционирующие за счет энергии солнца, и на этом ученые не планируют останавливаться. Вполне вероятно, что в будущем розетки вообще не понадобятся, ведь вся техника будет на солнечных батареях.
