Как работают солнечные батареи? Разбор

aka_opex 22 ноября 2022 в 10:05

Мы научились сжигать все что горит, перенаправлять реки, ловить ветра и даже расщеплять атомы и все только ради одной цели — получение энергии. И мы придумали много разных методов ее добывать. За последние сто лет человечество увеличило потребление энергии в десять раз. И этот рост не собирается останавливаться!

Мы все с вами прекрасно понимаем, что энергии много не бывает. Но ее ведь надо откуда-то брать. И проблема в том, что тупо бесконечно сжигать уголь или газ не очень полезно. Парниковый эффект знаете ли. И это не пустые слова — средняя температура на планете выросла уже на 1 градус! Скажете что это совсем чуть-чуть? Но на самом деле нет!

Только за лето 2022 года объем ледников в альпах сократился на почти 7 процентов! За одно лето! А средний ледяной покров на северном полюсе сократился вообще на 50% всего за 50 лет. Так вот надо искать что-то менее вредное для нашего голубого шарика.

И тут стоит взглянуть вверх, ведь там крутится просто гигантский, почти вечный, термоядерный реактор, который просто как из ведра поливает нашу землю бесконечной и бесплатной энергией! Казалось бы, осталось эту энергию только как-то собрать. И вот тут начинаются сложности. Сегодня мы вам расскажем о том как работают солнечные панели и какие перспективы вообще у солнечной энергетики. Разберем все как вы любите!

История

А знаете сколько солнечной энергии попадает на Землю? Около 174 ПетаВатт! Это в десять тысяч раз больше, чем потребляет вся планета сейчас! Например, в 2019 году на Землю примерно за час попало больше энергии, чем мы потребили за весь год! А в среднем на один квадратный метр земли падает до 7 киловатт час энергии в день.

Но как же это все собрать? Давайте, как обычно, начнем немного с истории.

Все солнечные панели работают на фотоэффекте, то есть, если говорить просто, на эффекте, когда в веществе может генерироваться электрический ток под воздействием света.

Он впервые был зафиксирован аж в 1839 году французским ученым Александром Беккерелем. Однако, тогда он не смог его объяснить.

В итоге фотоэффект был открыт только спустя несколько десятков лет в Селене в 1873 году инженером из англии по имени Вилогби Смит. И уже в 1883 году была построена первая в истории солнечная панель, американским изобретателем Чарльзом Фритцом! Конечно эффективность у нее была, мягко говоря, так себе — панели переводили в энергию только 1% от попадающей на них солнечной энергии.

Однако начало было положено!

Далее довольно долго никаких нововведений не было. Примерно до 1940 года, когда некий американец Рассел Ол, работавший в Белл Лэбс, случайно не сломал кусочек кремния, и не обнаружил, что через него течет ток.

Он случайно создал так называемый P-N переход. Ну или электронно-дырочный переход по другому. Видите ли, все дело в том, что Селен, как и кремний — полупроводники. И именно это и позволяет нам наблюдать фотоэффект в них!

Напомним, что полупроводники это материалы, у которых ширина запрещенной зоны не большая, но и не маленькая. То есть если к ним приложить определенную энергию то за счет возбуждения атомов, электроны переходят в зону проводимости и они могут начинать проводить электрический ток. Можно сказать, что электроны можно от атомов как бы отрывать. А ведь свет, то есть фотоны, переносят энергию и если эта энергия достаточна, то и они могут это делать!

Структура солнечной панели

Давайте сейчас посмотрим на то как вся панель устроена! И это нас и приведет к той прекрасной физике, которая стоит за всей индустрией солнечной энергетики!

Сами панели — это, довольно простая структура, похожая на сэндвич из нескольких слоев. И над каждым из этих слоев постоянно идет работа по увеличению эффективности! Итак, давайте посмотрим, сверху вниз.

Первый слой — это просто защитное стекло. Оно естественно обязательно, иначе какой-нибудь песок или пыль все очень быстро испортят. Далее идет антиотражающий слой! Это очень важная часть — так как она повышает эффективность самой панели на пару процентов. Задача этих слоев как бы задержать фотоны света в панеле по максимуму.

Для этого используются разные материалы, но самые популярные сейчас это Оксид Кремния и Оксид Титана. Кроме того их еще и специальным образом обрабатывают, чтобы получилась определенная текстура.

Понятно, что использование дорогих материалов или просто усложнение конструкции — все это ведет к тому, что панели, а значит и энергия, которую они вырабатывают, становятся тупо дороже.

А вы никогда не задумывались почему панели выглядят как сетка? Все дело в электрических контактах! Эти тонкие линии — один и полюсов контактной сетки! И это одна из головных болей инженеров, ведь без контактов никак, а сами контакты не прозрачные для света!

Именно поэтому их делают тонкими линиями, чтобы максимально оставить возможность свету проникать во внутрь.

Ну и естественно, также электрический контакт противоположного знака есть и на обратной стороне панели!

Ну а в центре расположен тот самый PN переход о котором мы уже упоминали!
Он и является ключем к тому как работают солнечные панели!

Давайте сейчас разберемся с тем как все это работает и что за магия там участвует.

Вспоминается старая шутка, что если не учить физику в школе, то вся жизнь будет наполнена чудесами и волшебством!

Нам надо немного погрузиться в теорию.

Теория работы

Для простоты будем говорить о классической планетарной модели атома!

Кремний сам по себе имеет четыре электрона на внешней оболочке. И этими электронами он связывается с соседними атомами Кремния. Можно сказать, что эти электроны на внешней оболочке как руки, которыми кремний держится друг за друга, таким образом создавая кристаллическую решетку.

Но в реальном мире чистый кремний используется довольно редко. Все дело в очень плохой проводимости чистого кремния. В индустрии гораздо чаще используется, так называемый легированный кремний. Это кремний, куда, при его производстве, помещены специальные добавки. При чем эти добавки очень малы, в чистый кремний обычно добавляют всего 1 атом на каждые 100 миллионов атомов кремния! Хотя конечно степень легирования зависит от требований к материалу.

И обычно добавляют два типа атомов — Фосфор или Бор. Почему именно их?

Все дело в их электронной структуре! Они идеально встраиваются в кристаллическую решетку кремния. Но с отличием — у фосфора на внешней оболочке 5 электронов, а у бора — 3. При этом происходит интересная ситуация. Например когда легируют Фосфором, то в том месте, где он находится, появляется один лишний неспаренный электрон, которому как бы некуда пристроиться.

Получается, что если приложить энергию, то их можно отсоединить от фосфора и они могут начать свободно перемещаться по материалу! Такие полупроводники, с как бы лишними электронами, называют полупроводниками N-типа. От английского Negative.

То же самое происходит и с Бором, только наоборот. Получается ситуация, когда остается одно свободное место. И оно называется просто дыркой. И такие полупроводники называют P типа. Соответственно от английского Positive.

И вот если два типа кремния сложить вместе, то на их границе получается этот P-N переход, или электронно-дырочный переход. На самом деле P-N переход открыл нам дорогу ко всем современным процессорам, да и вообще ко всей микроэлектронике в целом! А вот дальше происходит красота физики. В этом P-N переходе лишние электроны из фосфора N-типа, за счет близости к дыркам, начинают объединяться с дырками в P-типе! И эта образованная область называется зоной обеднения.

В результате пограничная область N-типа, из-за того, что часть электронов от туда ушла, оказывается чуть-чуть заряжена положительно, а P-тип соответственно отрицательно!

Давайте еще раз — за счет объединения электронов и дырок, P и N стороны оказываются чуть чуть заряжены положительно и отрицательно! А это и есть необходимая нам разность потенциалов! А если подключить это в электрическую цепь, то просто появляется электрический ток! За счет того что свободные электроны из одной области побегут в другую.

Но конечно нельзя делать электричество из ничего! Помните я говорил, что нужна энергия чтобы возбудить электроны! И именно для этого нам нужен свет. Ведь фотоны это частицы света, которые летят с определенной энергией. И они стукаются о наши атомы как шарики в боулинге — передавая им часть энергии.

Интересно, что эти энергии лежат как раз в том промежутке, который долетает до поверхности Земли, а именно ближний ультрафиолет, видимый спектр и ближний инфракрасный свет! Когда эти фотоны сталкиваются с атомами в нашем P-N переходе, и снова разваливают нашу электронно-дырочную пару.

Ну а далее может произойти два сценария: либо электроны сразу найдут себе пару в виде дырки где-то рядом, либо же, за счет разности потенциалов в P-N переходе, пойдут в подключенную цепь.

То есть они все равно хотят объединиться с дырками, но сделают уже это в области с большим количеством свободных дырок! А это другая сторона P-N перехода, то есть P-сторона.

Я знаю, что все это звучит немного запутанно, но давайте попробуем подвести тут некий итог. Фотоны света могут выбивать электроны с внешних оболочек атомов. Эти выбитые электроны на своем месте образуют дырку. Эти электроны и дырки как бы мигрируют к противоположным сторонам П-Н перехода. А электроны, за счет образовавшейся разности потенциалов, текут через электрическую цепь! Вот так мы и научились собирать энергию солнца!

Состояние дел

Но надо сказать, что эффективность современных панелей — это главная головная боль инженеров и ученых. Если мы говорили, что первое поколение панелей преобразовывали лишь 1% света в энергию, то сейчас это уже доходит до примерно 50%.

В реальности же эффективность большинства современных панелей колеблется в районе всего 20%. При этом со временем эта эффективность еще и падает на 2-3%.

При этом уже сегодня солнечная энергия чуть ли не самая дешевая среди всех источников энергии. Если в 1977 году она стоила баснословные 76 долларов за всего 1 ватт, то уже сейчас цена всего около 18 центов. Падение в 400 раз!

Но и это не рекорд. Самый дешевый киловатт был получен В 2021 году в Саудовской Аравии. Всего 1 цент за киловатт!

И это только начало массового перехода на возобновляемые источники. Cуммарная мощность всех установленных панелей в мире более одного тераватта! А в Европейском союзе и Китае например солнечная энергия дает более 6% всей энергии! В общем? рост всей отрасли очевиден, как и перспективы. И инвестиции в эту область просто колоссальные. А все потому что сама технология довольно простая и дешевая в реализации!

Это не уголь или газ, которые действительно не делают нашу жизнь здоровее, и не атомная энергетика, которая очень сложная и дорогая!

Да и еще и сами панели, по современным расчетам, могут служить беспрерывно до 30 лет! Хотя конечно поверхность панелей надо иногда чистить от пыли.

На самом деле такими темпами нам стоит ожидать, что уже в ближайшие лет 15-20 развитые страны смогут полностью перейти на возобновляемые источники энергии.

Но конечно тут многие задают справедливый вопрос — мол это все конечно звучит красиво и перспективно, но что делать ночью? Или зимой? Или когда тучи? И конечно, важно не только сколько энергии производится, но еще и возможность ее бесперебойного поступления потребителям!

И вот тут в игру вступают другие источники энергии! Человечество находится в постоянном поиске новых источников энергии! Геотермальная энергия, ветер, сила приливов и отливов, волны!

Кроме того рассматривается возможность создания энергосети, которая бы опоясывала всю планету! То есть когда на какой-то стороне земли темно — ее питает обратная сторона, где день. Все это разрабатывается в данный момент.

Конечно учеными сейчас исследуются и новые типы материалов для панелей! Например, панели на основе так называемых перовскитов уже показывают эффективность около 30%. При этом материалы относительно спокойно подходят для массового производства.

Но есть еще и другая очень важная сфера исследований, а именно возможность сохранения больших запасов энергии!

У Tesla есть очень интересный вариант с батареями на стенках, которые сохраняют энергию днем, а ночью — тратишь или даже продаешь излишки! От нихе же можно даже заказать целую крышу для дома, приедут мастера и полностью поменяют черепицу на специальные солнечные панели. Да и гарантию дают аж в 25 лет! Это вам не iPhone с гарантией в 1 год.

При этом Tesla использует в своих Power Wall старые батареи из своих автомобилей! Почти безотходное производство.

Выводы

Мы пытаемся смотреть на мир и его развитие в позитивном ключе и нам очень нравится то разнообразие и та скорость развития которую мы набрали в плане возобновляемых источников энергии!

Велика вероятность, что уже очень скоро солнечные панели станут настолько дешевыми, что любой сможет себе просто крышу дачного дома застелить ими и жить практически полностью на самообеспечении! Ведь уже сейчас в солнечных странах срок окупаемости установки таких панелей всего около 5-7 лет! Индустрия активно развивается! Ну а мы будем следить за ее развитием. А закончить хочется актуальной философской мыслью, что после самой темной ночи всегда наступает рассвет!

Nanoleaf Lines: Обновление умного света уже здесь!

В портфолио Nanoleaf появился новый гаджет, а точнее набор светильников. На этот раз речь о световых полосках, которые можно соединять друг с другом.
aka_opex 21 октября 2021 в 05:25

Компания Nanoleaf известна по выпуску светящихся и меняющихся цвет треугольников и шестигранников, которые как конструктор могут собираться в огромные световые мозайки.

Недавно, они анонсировали новые продукт — светодиодные световые панели, которые тянутся через всю стену под названием Lines. Они получили те жюе функции и возможности, что и предыдущие продукты. Каждая «линия» имеет длину 10,96 дюйма (27,85 см) и может соединяться со своими собратьями с любого конца или под углом 60 градусов. Компания утверждает, что вы можете «раскрасить ваше пространство линиями», создавая «величественные геометрические формы» и «элегантные линейные планировки».

Но помимо нового стиля дизайна, это все та же система Nanoleaf, которую вы уже знаете и любите, позволяющая буквально рисовать светом. Каждая линия имеет две цветовые зоны, и вы можете подключать динамические световые сцены, синхронизировать их с музыкой и отражать цвета на дисплее компьютера. Кроме того, оборудование будет работать в качестве маршрутизатора Thread Border Router, чтобы помочь подключить расположенные поблизости умные устройства, которые также могут использовать этот протокол. Оно также ориентировано на будущее и будет работать с Matter — новым протоколом, который должен появиться в следующем году.

Nanoleaf Lines доступны для предварительного заказа. Стартовый комплект из девяти линий обойдется в 200 долларов США, а дополнительные пакеты с 3 линиями стоят по 80 долларов. Ожидается, что продукция начнет продавать в США до конца ноября.

Световая панель от Xiaomi стоит всего 15 долларов

Huizuo Smart Light Panel Wall Lamp — это система умных настенных ламп от Xiaomi с голосовым управлением. Выглядит круто и не очень дорого…
aka_opex 17 декабря 2020 в 09:02

Xiaomi Youpin анонсировал сегодня новый продукт, который появился благодаря собственной краудфандинговой платформе бренда.

Речь идёт о настенных лампах, которые можно активировать с помощью голоса. Цена одной лампы — всего 15 долларов. А вот бандл из девяти штук обойдётся уже в 107 долларов.

Новые настенные лампы Xiaomi Youpin могут ловить музыкальный ритм и менять цвета в зависимости от игр, в которые вы играете.

Лампа поддерживает 16 миллионов цветов и схему можно настравиться с помощью мобильного приложения Mijia.

Интересно, что на продуктовых фото показано 11 и 50 ламп одновременно. Такие сетапы войдут в копеечку!

Если вас заинтересовало данное предложение, то ищите её на сайте краудфандинговой платформы Youpin.

Кстати, полное название настенной лампы — Huizuo Smart Light Panel Wall Lamp.

Исследовательский отдел Microsoft работает над световой зарядкой

Егор Беляков 22 января 2015 в 05:47

Исследовательский отдел корпорации Microsoft до презентации в Редмонде рассказал о проекте под названием AutoCharge.

AutoCharge

По всей видимости, заряжать смартфон без проводов, да ещё и с помощью лучей света, скоро станет реальным.
(далее…)

Свет, камера, мотор: Как снять кино в домашних условиях

Егор Беляков 30 декабря 2014 в 01:21

В начале 2014 года Мартин Скорсезе написал открытое письмо дочери, которое было насквозь пронизано одной идеей: искусство кино теперь подвластно каждому из нас.

Поп-корн и хлопушка

Число 28 декабря в календаре редакции Droider отмечено красным цветом — Международный день кино всё-таки! Мы не могли пройти мимо столь замечательного инфоповода, поэтому с возвращаемся к письму Скорсезе, чтобы подтвердить слова великого режиссера на деле.
(далее…)

Glow Hockey — светящийся аэрохоккей

vedensky 25 января 2011 в 05:39

Это, пожалуй, лучшая на данный момент реализация игры «аэрохоккей» на Android. Glow Hockey замечательна своей графикой и светящимися элементами оформления. Кроме этого, игра обладает неплохим управлением.

Внешний вид приложения напоминает стилистику фильма Трон. Когда шайба попадает в стенки, они начинают излучать неоноподобное свечение. Подобные спецэффекты делают игровой процесс более захватывающим. (далее…)

HexDefense Free — отличный Tower Defence

vedensky 18 января 2011 в 09:09

Что-то мы позабыли об играх. А ведь для платформы Android их последнее время выходит внушительное количество. И на качество жаловаться не приходится. Сегодня речь пойдет о HexDefense. Это представитель распространенного жанра Tower Defence, однако сильно отличающийся от аналогов.

Самое замечательное в этой игре — это отличные стильная графика и звуковое сопровождение. Здесь вы защищаете базу не от странных монстров или роботов, а от необычных цифровых существ.

(далее…)

LiveWallpaper from Gingerbread — прямо, как в прянике

vedensky 28 декабря 2010 в 02:46

Если вы смотрели наш недавний обзор Nexus S и нового Android’а, наверняка, видели там старые-новые обои с лучами света. В первом Nexus’е они выглядели не очень выигрышно. Но теперь их причесали и облагородили. И более того, выложили на маркете. Так что, насладиться некоторыми новшествами пряничного интерфейса можно на любом смартфоне, поддерживающем живые обои.

В отличие от оригинальной версии в этом релизе присутствует более приятный для взгляда фон, а также сами лучи стали более симпатичными.

(далее…)

LED Light — виждет для подсветки

vedensky 14 сентября 2010 в 04:35

Приложение-фонарик — это хорошо. Но ведь для того, чтобы зажечь подсветку на мобильном телефоне вовсе не обязательно запускать целую программу. Хотелось бы выполнять для этого как можно меньшее количество нажатий, ведь когда лезешь под диван в поисках закатившейся вещи некогда ковыряться в телефоне.

Для Android есть решение этой проблемы — это приложение LED Light. Сама программа представляет из себя вариацию на классический фонарик с большой кнопкой во весь экран. Но плюс в том, что в комплекте идет симпатичный виджет, выполненный в стиле HTC Sense. Нажатием на него вы можете легко включать/выключать подсветку на задней панели аппарата — главное, чтобы на вашем устройстве она была. Так что, теперь потеряться в темноте будет значительно сложнее :)

(далее…)