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!
