Сонячні батареї вже зараз використовуються для харчування найрізноманітнішої техніки: від мобільних гаджетів до електромобілів. Як влаштовані, якими бувають і на що здатні сучасні сонячні батареї, ви дізнаєтеся з цієї статті.
Історія створення
Так історично склалося, що сонячні батареї - це вже друга спроба людства приборкати безмежну енергію Сонця і змусити її працювати собі на благо. Першими з'явилися сонячні колектори (сонячні термальні електростанції), в яких електрику виробляє нагріта до температури кипіння під сконцентрованими сонячними променями вода.
Сонячна термальна електростанція в іспанському місті Севілья
Сонячні ж батареї виробляють безпосередньо електрику, що набагато ефективніше. При прямій трансформації втрачається значно менше енергії, ніж при багатоступінчастої, як у колекторів (концентрація сонячних променів, нагрівання води та виділення пара, обертання парової турбіни і тільки в кінці вироблення електрики генератором).
Сучасні сонячні батареї складаються з ланцюга фотоелементів - напівпровідникових пристроїв, що перетворюють сонячну енергію безпосередньо в електричний струм. Процес перетворення енергії сонця в електричної струм називається фотоелектричним ефектом.
Дане явище відкрив французький фізик Олександр Едмон Беккерель в середині XIX століття. Перший же діючий фотоелемент через півстоліття створив російський вчений Олександр Столетов. А вже в двадцятому столітті фотоелектричний ефект кількісно описав не вимагає подання Альберт Ейнштейн.
Беккерель, Столетов і Ейнштейн - саме цього «тріо» вчених ми зобов'язані створенням сонячних батарей
Принцип роботи
Напівпровідник - це такий матеріал, в атомах якого або є зайві електрони (n-тип), або навпаки, їх не вистачає (p-тип). Відповідно, напівпровідниковий фотоелемент складається з двох шарів з різною провідністю. В якості катода використовується n-шар, а в якості анода - p-шар.
Зайві електрони з n-шару можуть залишати свої атоми, тоді як p-шар ці електрони захоплює. Саме промені світла «вибивають» електрони з атомів n-шару, після чого вони летять в p-шар займати порожні місця. Таким способом електрони біжать по колу, виходячи з p-шару, проходячи через навантаження (в даному випадку акумулятор) і повертаючись в n-шар.
Схема роботи фотоелемента
Першим в історії фотоелектричним матеріалом був селен. Саме з його допомогою виробляли фотоелементи в кінці XIX і початку XX століть. Але з огляду на вкрай малий ККД (менше 1 відсотка), селену відразу ж почали шукати заміну.
Масове ж виробництво сонячних батарей стало можливим після того як телекомунікаційна компанія Bell Telephone розробила фотоелемент на основі кремнію. Він до цих пір залишається найпоширенішим матеріалом у виробництві сонячних батарей. Правда, очищення кремнію - процес вкрай витратний, а тому мало-помалу пробуються альтернативи: сполуки міді, індію, галію і кадмію.
Селен - історично перший, а кремній - наймасовіший матеріал у виробництві фотоелементів
Ясна річ, що потужності окремих фотоелементів недостатньо, щоб живити потужні електроприлади. Тому їх об'єднують в електричний ланцюг, тим самим формуючи сонячну батарею (інша назва - сонячна панель).
На каркас сонячної батареї фотоелементи кріпляться таким чином, щоб їх в разі виходу з ладу можна було замінювати по одному. Для захисту від впливу зовнішніх факторів всю конструкцію покривають міцним пластиком або загартованим склом.
Мобільний телефон Samsung E1107 оснащений сонячною батареєю
існуючі різновиди
Класифікуються сонячні батареї по потужності електрики, що виробляється, яка залежить від площі панелі і її конструкції. Потужність потоку сонячних променів на екваторі досягає 1 кВт, тоді як в наших краях в хмарну погоду вона може опускатися нижче 100 Вт. Як приклад візьмемо середній показник (500 Вт) і в подальших розрахунках будемо відштовхуватися від нього.
Наручний годинник Citizen Eco-Drive з сонячною батареєю замість циферблата
Найнижчим коефіцієнтом фотоелектричного перетворення мають аморфні, фотохімічні і органічні фотоелементи. У перших двох типів він дорівнює приблизно 10 відсоткам, а в останнього - всього лише 5 відсотків. Це означає, що при потужності сонячного потоку в 500 Вт сонячна панель площею один квадратний метр буде виробляти відповідно 50 і 25 Вт електроенергії.
Монтаж сонячних панелей на даху житлового будинку
На противагу вищезгаданим типам фотоелементів виступають сонячні батареї на основі кремнієвих напівпровідників. Коефіцієнт фотоелектричного перетворення на рівні 20%, а при сприятливих умовах - і 25% для них звична справа. Як результат, потужність метрової сонячної панелі може досягати 125 Вт.
Гоночний електромобіль Honda Dream на сонячних батареях з'явився ще в 1996 р
Конкурувати за потужністю з кремнієвими сонячними батареями здатні хіба що рішення на основі арсеніду галію. Використовуючи це з'єднання, інженери навчилися створювати багатошарові фотоелементи з КФП понад 30% (до 150 Вт електрики з квадратного метра).
Портативна сонячна панель Solarland потужністю 130 Вт і вартістю $ 860
Якщо ж говорити про площу сонячних батарей, то існують як мініатюрні «платівки» потужністю до 10 Вт (для частої транспортування), так і широченні «листи» на 200 Вт і більше (суто для стаціонарного використання).
Безпілотний літак, розроблений NASA Ames Research Center, здатний на сонячній енергії пролетіти від східного узбережжя США до західного
На роботу сонячних батарей може негативно впливати ряд факторів. Наприклад, зі зростанням температури знижується тихоокеанський фотоелементів. Це при тому, що сонячні батареї якраз-то і встановлюють в жарких сонячних країнах. Виходить своєрідна палиця з двома кінцями.
Сонячну батарею Voltaic можна носити у себе за спиною
А якщо затемнити частину сонячної панелі, то неактивні фотоелементи не тільки припиняють виробляти електрику, а й стають додатковою, шкідливої навантаженням.
«Сонячне дерево - культурний і одночасно науковий символ австрійського містечка Глайсдорф
найбільші виробники
Лідерами глобального виробництва сонячних батарей є компанії Suntech, Yingli, Trina Solar, First Solar і Sharp Solar. Перші три представляють Китай, четверта - США, а п'ята, як неважко здогадатися, є підрозділом японської корпорації Sharp.
Гольфкар на сонячних батареях - безшумне і екологічно чистий засіб пересування
Американська компанія First Solar не тільки виробляє сонячні батареї, а й бере безпосередню участь в проектуванні і будівництві сонячних електростанцій. Найпотужніша в світі СЕС Агуа-Каліенте , Яка знаходиться в штаті Арізона, США - справа рук інженерів First Solar.
Найбільшу ж українську СЕС «Перово» будувала і постачала сонячними панелями австрійська компанія Activ Solar.
Китайська ж компанія Suntech прославилася тим, що готувала до літньої Олімпіади-2008 футбольний стадіон під назвою «Пташине гніздо» в Пекіні. Виробляється протягом дня за допомогою сонячних батарей електроенергія акумулюється, а потім використовується для освітлення стадіону, поливу трави на футбольному полі і роботи телекомунікаційного обладнання.
Національний стадіон у Пекіні густо засіяний сонячними батареями виробництва Suntech
висновки
Ще два десятиліття тому дивиною здавалися мікрокалькулятори з фотоелементами, що дозволяло не міняти в них «батарейку-таблетку» роками. Зараз же мобільні телефони з вбудованою в задню кришку сонячною панеллю нікого не дивують. А адже це дрібниця в порівнянні з автомобілями і літаками (нехай і безпілотними), які навчилися пересуватися за допомогою однієї лише сонячної енергії.
Майбутнє сонячних батарей бачиться точно таким же світлим, як саме сонце. Хочеться вірити, що саме сонячні батареї дозволять нарешті вилікувати смартфони і планшети від «розеткозавісімості».
