Солнечная энергия

5 лет назад считалось фантастикой обеспечить дом электричеством только за счёт солнечной энергии. Сегодня солнечные батареи встречаются повсеместно. Огромные корпорации заканчивают переход на «зелёную» энергию, включая Apple, Google и их крупнейших партнёров, например, Foxconn. Конечно помимо Солнца, они задействуют ветер и воду, но мы поговорим только о солнечной энергии.

Начнем

Принцип работы солнечной батареи основан на взаимодействии двух кремниевых пластин. Одну покрывают бором, а другую - фосфором. Под действием солнечного света в них возникает электрический ток. В пластине покрытой фосфором появляются свободные электроны. Отсутствующие частицы образуются в пластинах покрытых бором. Электроны начинают двигаться под действием света солнца. Так образуется электрический ток в солнечных батареях. Тонкие жилы из меди, которыми покрыта каждая батарея, отводят от нее ток и направляют по назначению.

Раньше одной пластины хватало только для питания одной лампочки, но сегодня за счёт увеличения КПД, заряда хватит на что-то большее. 

О самих панелях

Принцип работы мы разобрали, теперь разберемся в отличиях самих панелей. 

Обычно панели изготавливают из кремния, но из-за сложности в производстве стоимость конечного изделия довольно высока.

Сами кремниевые батареи бывают разных типов:

Первый тип: Монокристаллические преобразователи

Представляют собой панели со скошенными углами, всегда выполненные в черном цвете. Если говорить о монокристаллических преобразователях, то принцип работы такой солнечной батареи кратко можно охарактеризовать как средне эффективный. Все ячейки светочувствительных элементов такой батареи направлены в одну сторону. Это позволяет достичь КПД до 30%. 

Скажу сразу, данные о КПД я привожу из рабочих панелей, которые можно купить. В лабораториях существуют более эффективные пластины, но зачем они нам.

Главный минус данного типа — панели всегда должны быть обращены к солнцу лицевой стороной. 

Пока солнце прячется за тучами, уходит в закат или не успело взойти панели будут вырабатывать очень слабый ток.

Второй тип: Поликристаллические

Пластины данного типа — квадраты синего цвета. В состав их поверхности включены неоднородные кристаллы кремния. 

КПД поликристаллических батарей не настолько высок, как у монокристаллических моделей. Он может достигать 18-19%. Однако этот недостаток компенсируется достоинствами, о которых будет сказано ниже. 

Принцип работы солнечной батареи этого типа позволяет изготавливать их не только из чистого кремния, но также из вторичных материалов. Этим объясняются некоторые дефекты, встречающиеся в оборудовании. Отличительной особенностью механизмов данного типа является то, что они могут достаточно эффективно вырабатывать электрический ток даже при пасмурной погоде. Такое полезное качество делает их незаменимыми в местах, где рассеянный солнечный свет является обычным повседневным явлением.

Третий тип: Аморфные панели из кремния 

Аморфные панели дешевле остальных, это обуславливает принцип работы солнечной батареи и ее устройство. 

Каждая панель состоит из нескольких тончайших слоев кремния. Их изготавливают путем напыления частиц материала в вакууме на фольгу, стекло или пластмассу. КПД панелей значительно меньше, чем у предыдущих моделей. Он достигает 6-7%. 

Кремниевые слои довольно быстро выгорают на солнце. Уже через полгода использования этих батарей их эффективность упадет на 15%, а иногда и на все 20. Два года работы полностью исчерпают ресурс действующих веществ, и панель нужно будет менять. 

Но есть два плюса, из-за которых эти батареи все же покупают. Во-первых, они работают даже в пасмурную погоду. Во-вторых, как уже говорилось, они не такие дорогие, как другие варианты.

Полимерные пленочные солнечные преобразователи

У этой альтернативы панелям из кремния есть все шансы занять лидирующее положение на рынке солнечных батарей. Они напоминают пленку, состоящую из нескольких слоев. 

Среди них можно выделить сетку алюминиевых проводников, полимерный слой активного вещества, подложку из органики и защитной пленки. 

Такие фотоэлементы, объединенные друг с другом, образуют пленочную солнечную батарею рулонного типа. Эти панели легче и компактнее кремниевых. При их изготовлении не используется дорогостоящий кремний, и сам процесс производства не такой затратный. Это делает рулонную панель дешевле всех прочих.

Принцип работы солнечной батареи делает их КПД не слишком высоким. Он достигает 8%. Процесс изготовления панелей этого типа сводится к многослойному печатанию на пленку фотоэлемента. Производство налажено в Дании. 

Еще одним преимуществом является возможность резать рулонную батарею и подгонять её под любой размер и форму. Минус лишь один — пока их очень сложно приобрести.

Немного о сферах применения

Солнечную энергию применяют повсеместно. 

В быту мы можем встретить панели в калькуляторах, плеерах, фонариках. 

С популяризацией электромобилей, солнечные панели нашли новое место применения. 

В авиации разрабатывается интересный проект самолёта на солнечной энергии.

Помимо обеспечения электричеством, солнечную энергию применяют и для энергообеспечения. В Испании, с 2007 года, все новые дома обладают солнечными водонагревателями, что бы обеспечивать до 70% потребностей в горячей воде.

В ряде европейских стран тестируют дорожное покрытие из солнечных панелей. Рекомендую почитать о подобных разработках.

Солнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.

И конечно в медицине тоже нашлось применение. Южнокорейские ученые разработали подкожную солнечную батарею. Миниатюрный источник энергии может быть вживлен под кожу человека с целью бесперебойного обеспечения работы приборов, имплантированных в тело, например, кардиостимулятора. Такая батарея в 15 раз тоньше волоса и может заряжаться, если даже на кожу наносится солнцезащитное средство.

Минусы 

Плюсы данной технологии понятны и так, а вот минусы не так очевидны.

Солнечные батареи критикую экологи из-за того, что они занимают огромные площади. Это понятное дело вредит окружающей среде.

Второй недостаток: солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в вечерних сумерках, в то время как пик электропотребления приходится именно на вечерние часы.

Ну и третий важные минус — несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества: свинец, кадмий, галлий, мышьяк и др.

Конец

Сложно представить центральную часть России, заставленную солнечными панелями. Но западные страны активно продвигают данную технологию. 

Мне крайне интересно применение солнечных панелей в носимой электронике. В идеале в ноутбуке, но хотя бы в часах. Но пока индустрия мобильных гаджетов игнорирует данную технологию.

Спасибо за просмотр!

Ставь лайк, подписывайся на канал и не забывай комментировать.

Всем Мира и Технологий!