О вечных источниках энергии. Солнечная энергия. Часть 2

Май 28, 2013 / Ольга Шейдина, Редактор

А теперь обратимся слегка к истории. В 1839 году Эдмону Беккерелю удалось открыть фотоэффект или же фотогальванический эффект. Данный эффект он наблюдал в электролитическом растворе. Фотогальванический эффект состоит в возникновении электрического тока в случае освещения диэлектрика или  полупроводникового образца, которые включёны в замкнутую цепь (образуется так называемый фототок). Попытайтесь представить себе лампочку, которая светится при попадании на нее солнечных лучей. Вот это и есть тот самый фототок.

О вечных источниках энергии. Солнечная энергия. Часть 2

Фотоэффект используется уже довольно давно. Плодом этого явления в сфере полупроводников является созданный фотодиод. Фотодиодом называют приёмник излучения оптического спектра, преобразующий в электрический заряд свет, попавший на его фоточувствительную область. Это явление происходит за счёт процессов, происходящих в p-n-переходе.

Более глубокое изучение фотоэффекта и его практическое использование началось по истечении сорока четырех лет, когда этим занялся Чарльз Фриттс, работавший нью-йоркским электриком. Ему удалось сконструировать самый первый модуль, который использовал световую солнечную энергию. В основе изобретения лежал селен, имевший тонкое покрытие золотым слоем. Исследователю удалось сделать вывод, что подобное сочетание элементов дает возможность, хоть и в минимальной степени (едва на уровне 1%), преобразовать солнечную энергию лучей в электрическую.

В двадцатом веке сотрудники лаборатории Белла начали исследование новых источников питания, что позволило изобрести солнечный элемент кремниевого типа, который стал прообразом нынешних фотопреобразователей солнечной энергии. В изучение данного фотоэффекта большой вклад сделал знаменитый Альберт Эйнштейн, за что в 1921 году он получил Нобелевскую премию. В 30-ых годах прошлого века советские физики, используя фотоэффект, смогли получить электрический ток. Конечно, КПД тогда был далек от идеала. Он едва достигал одного процента, но уже и это являлось существенным шагом науки вперед.

Первые солнечные элементы с вполне существенным коэффициентом полезного действия в процессе преобразования энергии (~6%) были созданы в 1953-54 годах американскими учеными Фуллером, Пирсоном, и Чапиным. В 1958 г. солнечные батареи очень малой мощности (менее 1 ватта) обеспечивали питание радиопередатчика на борту американского спутника «Авангард». В 1957 СССР запустил свой первый искусственный спутник, оснащенный фотогальваническими элементами, а в 1958 г. Соединенные Штаты произвели пуск искусственного спутника Explorer 1, оснащенного солнечными панелями.

Начиная с 1958 года солнечные батареи кремниевого типа стали уже основным источником для питания солнечной энергией приборов, находящихся на борту космических кораблей, а в дальнейшем и орбитальных станций. Уже в 1970 году советский ученый Жорес Алферов создал первую высокоэффективную гетероструктурную (с применением мышьяка и  галлия) солнечную батарею. В 70-х годах прошлого века ученые сумели повысить до 10 процентов КПД солнечных элементов. Это и явилось огромным рывком вперед в деле использования солнечной энергии.

В период нефтяного кризиса 1973-1974 годов несколько стран, среди которых были и США, начали применять фотоэлектрический ток, что и обусловило создание 3100 фотоэлектрических систем, функционирующих до сих пор.

Не получившим широкого признания, но очень интересным по своей сути способом отбора и трансформации солнечной энергии в электроэнергию, является идея, которая была предложена в самом начале ХХ века известным французским ученым Бернардом Дюбо. Эта идея заключалась в применении стеклянных навесов площадью более 1 кв. км. с  трубой большой высоты (типа каминной) в центре сооружения. В его основе лежат два эффекта: каминный и  парниковый. При нагревании под крышей теплый воздух движется в трубу, как это наблюдается в дымоходах каминов, и вращает электрогенераторные турбины, вырабатывая электрический ток.

Думалось, что практически единственным недостатком данной конструкции являлась возможность по выработке электроэнергии лишь в дневное время. Однако идея Дюбо нашла свое практическое применение лишь, спустя более, чем 50 лет. Первая опытная электростанция мощностью около 50 кВт, использующая эту технологию была создана в Испании в 1979 году на средства немецкого Министерства исследований. Строительство данной экспериментальной станции обошлось в сумму около 16 млн. марок. Эта станция занимала довольно большую площадь около 45 тысяч кв. метров, а высота трубы достигала 195 м. Однако, проработала эта станция совсем недолго: она была закрыта после бури, разрушившей в 1989 году ее трубу. Самый оптимальный вариант представляют собой гибридные электростанции солнечно-теплового типа, которые совмещают дневную работу от солнечной энергии и ночную – от газовой. В Соединенных Штатах имеется несколько подобных электростанций, общая мощность которых составляет более 600 МВт. Первая солнечная электростанция промышленного масштаба была сооружена в СССР в 1985 году в Крыму, недалеко от г. Щелкино. Размер ее пиковой мощности был равным мощности первого атомного реактора.

Однако уже в середине 90-х годов ее пришлось закрыть ввиду довольно низкой производительности и достаточно высокой себестоимости производимой ею электроэнергии: за целое десятилетие работы данной электростанцией было произведено всего лишь 2 млн. кВт.час электрической энергии. В Соединенных Штатах же все происходило по-другому. 90-е годы стали временем самого активного подъема солнечных технологий и их применения в промышленном масштабе. В конце 1989 года компания Loose Industries осуществила запуск 80-мегаваттной солнечно-газовой электростанции.

Всего лишь за пять последующих лет эта же компания только в штате Калифорния построила солнечных электростанций (СЭС) подобного типа на 480 МВт. При этом цена одного киловатт-часа, произведенного солнечно-газовым способом, составляла всего лишь 7-8 центов, что было вдвое ниже стоимости одного киловатт-часа уже привычной энергии, вырабатываемой на АЭС. Как вполне справедливо было отмечено академиком Алферовым на заседании Академии Наук СССР, если бы для развития энергетики альтернативного типа было выделено хотя бы 15% средств, которые были вложены в атомную энергетику, то в атомных электростанциях вообще не было бы нужды. И это стало бы реальностью даже при том условии, что, несмотря на минимальный уровень финансирования исследований в сфере солнечной энергетики, советским ученым удалось увеличить к середине 90-х годов прошлого века КПД солнечных элементов до 15 процентов, а к началу нынешнего века уже до 20%.

Если бы тогда государством было вложено больше средств в область солнечной энергетики, вполне вероятно, что на настоящем этапе в Казахстане уже имелись бы солнечные электростанции. История в области солнечной энергетики нам необходима с тем, чтобы в будущие годы мы не совершили ошибок в самой конструкции. Наша роль сейчас состоит в том, чтобы собрать все эти накопленные ранее знания и построить реально действующий объект.

Как же начать собирать электричество? Всем нам известно, что существуют переходы типов «р» и «n» или, иначе говоря, переход от р-типа к n-типу. Этот простой переход возникает во всех приборах полупроводникового типа таких, как транзистор, диод, тиристор и им подобные. Подобный же переход возникает также и в солнечных элементах. Строение солнечного элемента походит на бутерброд, включающий в себя две полупроводниковые пластинки. В наружной пластинке типа n возникает избыточное количество электронов. Во внутренней пластинке типа p — их недостаток. При попадании фотона в n-пластинку пробуждается дремлющий в ее толще электрон, что похоже на то, как луч света при попадании на лицо будит дремлющего человека. «Разбуженный» электрон переходит в р-пластину и, вследствие этого движения появляется электрический ток.

Примерно таким образом и происходит процесс на стыке кремния (Si) и арсенида галлия (GaAs). Арсенидом галлия обеспечивается более высокий КПД при фотопреобразовании — до 28% (у кремния же он около всего лишь 17%), но этот материал значительно дороже кремния. Кроме того, процесс производства кремния в настоящее время освоен довольно хорошо. Именно поэтому он и представляет собой основной материал для производства солнечных батарей. Солнечной батареей называют несколько объединённых между собой фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей), то есть устройств полупроводникового типа, прямым образом преобразующих энергию Солнца в постоянный электрический ток.

Материалом, играющим основную роль, является кремний. Этот элемент может быть монокристаллическим и поликристаллическим. В настоящий период в следствие многократно возросшего спроса на солнечные батареи, а также для экономии дефицитного солнечного кремния, кремниевые пластины стали значительно тоньше (их толщина находится в пределах от 180 до 220 мкм), чем это делалось раньше (от 300 до 500 мкм). Кремний будет нам нужен, как воздух, для создания электростанций. Но это при условии, конечно, что не будут успешными разработки нанотрубок.

Исследователи из Корнеля (Cornell) сумели из отдельных углеродных нанотрубок создать и испытать простую солнечную батарею, названную ими фотодиодом (photodiode). Применяя углеродные нанотрубки вместо обычного для этих целей кремния, ученые сумели создать базовые элементы, предназначенные для солнечной батареи, которые с большей эффективностью, по сравнению с используемыми в настоящий период технологиями, могут преобразовывать солнечную энергию света в электрическую.

Это интересно ...

Последние новости и статьи:

  • Солнечная энергетика в России. Часть 4 Солнечная энергетика в России. Часть 4 Для развития солнечной энергетики в промышленности нашей страны и всего мира необходимо, наряду с солнечным кремнием, обеспечить производство специального закаленного
  • Солнечная энергетика в России. Часть 3 Солнечная энергетика в России. Часть 3 Одной из перспективных технологий в области солнечной энергетики является изобретение фотоэлектрических станций с солнечными элементами, изготовленными на основе кремния. Они
  • Солнечная энергетика в России. Часть 2 Солнечная энергетика в России. Часть 2 Ветровые, геотермальные и гидроэлектростанции являются экономически конкурентоспособными при различном уровне мощности, который ограничивается лишь наличием соответствующих энергетических ресурсов. При строгом
  • Солнечная энергетика в России. Часть 1 Солнечная энергетика в России. Часть 1 Суммарное количество энергии солнца, которое поступает на поверхность нашей планеты за одну неделю, превышает энергию всех запасов нефти, угля, газа


Оставить комментарий