ЗІ СВОЄЮ розетки

Схема досвіду А. Е. Беккереля. Дві однакові металеві пластини занурені в електроліт і розділені світлонепроникної перегородкою. Коли світло падає на одну з пластин, в ланцюзі виникає електрорушійна сила.

Перший фотоелемент на основі селену, створений Ч. Фрітсом в 1883 році.

Схема цезієвого фотоелемента. У скляну колбу поміщені два електроди. Один з них, анод в формі металевого кільця, розташовується в центрі колби.

Схематичне пристрій напівпровідникового кремнієвого фотоелемента. На основу з пластини n-кремнію (n-Si) за допомогою дифузії наноситься шар p-кремнію (p-Si).

Сучасні фотоелементи можуть забезпечити роботу ноутбука протягом всього дня.

Сучасний телевізор споживає енергії не більше звичайної лампочки розжарювання.

Наука і життя // Ілюстрації

<

>

Криза настає тоді, коли вже не можна сказати: «Давайте все забудемо».
Припис Фергюсона (Закони Мерфі)

Те, що світло може стати джерелом електрики, вперше побачив французький натураліст Олександр Едмон Беккерель. У 1839 році, працюючи в лабораторії свого батька, відомого фізика Антуана Беккереля, дев'ятнадцятирічний Едмон виявив фотогальванічний ефект: при освітленні платинових пластин, занурених у розчин електроліту, гальванометр реєстрував поява електрорушійної сили. Едмон Беккерель навіть знайшов застосування цього ефекту, розробивши на його основі актінограф - прилад для реєстрації інтенсивності світла.

Наступною віхою на шляху до сонячних батарей стало відкриття фотопровідності селену. Його зробив Уіллобі Сміт, інженер британської телеграфної компанії, що займалася прокладанням кабелю під водою. У 1873 році, розробляючи пристрій для перевірки проводів в процесі укладання, він почав пошук матеріалу, який володів би великим електричним опором, але в той же час не був би ізолятором. Вимірюючи опір селенових стрижнів, Сміт зауважив, що результати сильно «стрибають» раз від разу. Виявилося, що електропровідність селенових стрижнів різко збільшується, коли на них падає світло. У 1883 році американець Чарльз Фрітс зробив перший фотоелемент з тонкого шару селену, розташованого між пластинками золота і міді.

Німецький фізик Генріх Герц в 1887 році виявив вплив ультрафіолету на електричний розряд. Як і у випадку з селеном, відкриття було несподіваним. Спостерігаючи одночасно два розряду, Герц помітив, що яскравий спалах світла від електричної іскри першого розряду збільшує тривалість іншого розряду.

У 1888 році наш співвітчизник Олександр Григорович Столєтов досліджував, як розряджається під дією світла негативно заряджений цинковий електрод і як цей процес залежить від інтенсивності світла. Він же створив перший вакуумний фотоелемент, який, правда, не заряджав, а розряджав батарею.

Завдяки роботам Джозефа Томсона в 1899 році і Філіпа Ленарда в 1900 році було доведено, що світло, потрапляючи на металеву поверхню, вибиває з неї електрони, викликаючи появу фотоструму. Однак повністю зрозуміти природу цього явища вдалося в 1905 році, коли Альберт Ейнштейн дав його пояснення з позиції квантової теорії. Зауважимо, що Нобелівську премію 1921 року «батько» теорії відносності отримав за роботи, присвячені саме фотоефекту. У рішенні Нобелівського комітету було записано, що премія присвоєна Ейнштейну за внесок в теоретичну фізику, особливо за відкриття закону фотоефекту. По суті, це пояснення грунтувалося на законі збереження енергії: кожен фотон, взаємодіючи з електроном, передає йому свою енергію ε = hν, де ν - частота падаючого світла, а h = 6,626068 (33) · 10-34 (дж · сек ) - постійна Планка. Ця енергія частково йде на роботу А, яку треба затратити, щоб електрон покинув поверхню металу (роботу виходу), частково - на кінетичну енергію електрона. Це співвідношення описує рівняння Ейнштейна:

Поява напівпровідників призвело до народження кремнієвого фотоелемента. На пластині кремнію n-Si з електронним типом провідності (основні носії струму - вільні електрони) поміщають шар кремнію p-Si з доречнийпровідністю (носії струму - атоми, що втратили електрон, «дірки»).

У зоні p-n переходу при висвітленні фотоелемента виникає різниця потенціалів близько 0,5 В, що і використовують при створенні сонячних батарей. Об'єднуючи фотоелементи в модулі, отримують сонячні батареї з різною напругою, що досягає часом декількох сотень вольт.

Одна з найважливіших характеристик фотоелемента - коефіцієнт корисної дії. Його розраховують як відсоток відносини енергії світла, що надійшла на фотоелемент, до енергії, що дісталася споживачеві. Якби не земна атмосфера, то на один квадратний метр поверхні, розташованої на рівні моря перпендикулярно до сонячних променів, доводилося б 1300-1400 Вт · год / м2 енергії. Через втрати в атмосфері на екваторі ця величина знижується до 1000 Вт · год / м2. Ккд першого фотоелемента становив всього 1%, і навіть на екваторі з одного квадратного метра можна було зняти не більше 10 Вт · год. Ккд фотоелементів, розроблених до запуску перших супутників, був уже 5-6%. Сучасні серійні фотоелементи мають ккд 14%. Але це не межа: японська компанія Mitsubishi Electric в 2007 році повідомила, що їм вдалося досягти показника 18,6% для фотоелементів на базі полікристалічного кремнію. А використання багатошарових елементів дозволило американським дослідникам центру Boeng-Spectrolab отримати дослідні зразки з ККД більше 40%. Для порівняння нагадаємо, що ккд автомобільного двигуна становить в середньому 23%, лише в окремих випадках досягаючи 35%.

Лауреат Нобелівської премії Жорес Іванович Алфьоров вважає, що ккд сонячних елементів може досягати 90%. Росії варто поспішити з дослідженнями в сфері сонячної енергетики, якщо ми хочемо зайняти лідируючі позиції в цій області.

З ростом цін на традиційне паливо сонячні батареї починають застосовувати в складі автономних фотоелектричних систем, які можна ефективно використовувати для економії електроенергії в побуті. До складу такої системи входять сонячні модулі, контролер зарядки-розрядки, акумуляторна батарея та інвертор. Для правильної експлуатації акумуляторних батарей необхідно уважно стежити за станом рівня їх заряду. Необхідно відключати сонячні модулі від заряджених акумуляторів, і навпаки, підключати їх, якщо батарея розрядилася на 30% (при більшому розряді істотно знижується число циклів заряду-розряду).

Інвертор необхідний для перетворення постійної напруги, зазвичай 12 В, в змінне 220 В. Окремі моделі перетворювачів забезпечують на виході змінний струм з нормальною синусоїдою, який повністю відповідає мережному, що важливо для деяких складних електроприладів, наприклад телевізора. Інвертор необов'язково використовувати в фотоелектричних системах, що живлять прилади, розраховані на роботу з постійною напругою. Якщо без перетворювача не обійтися, необхідно пам'ятати, що ефективність всієї системи впаде на 10% - ккд сучасних інверторів становить 90%.

Чи можуть сучасні сонячні батареї забезпечити реальні потреби людини в електриці, тобто фактично замінити звичну розетку, що харчуються від лінії електропередач?

Розрахувати параметри компонентів необхідної для цього фотоелектричної системи нескладно. Припустимо, споживачеві потрібно сумарно 1000 Вт на добу. Таку потужність споживає стоваттному лампочка, безперервно горить 10 годин. Втім, для енергозберігаючої лампи (див. «Наука і життя» № 8, 2008 р ), Яка споживає в 4-5 разів менше енергії, кіловата вистачить на 40-50 годин безперервної роботи. Для порівняння: середнє споживання електроенергії на людину в Москві становить 3000-4000 Вт на добу.

Для початку розрахуємо ємність акумуляторної батареї з урахуванням того, що вона не повинна розряджатися менш ніж на 30%. Для двенадцатівольтових акумуляторної батареї з простого рівняння 1000 Вт · год = (12 В × Х А · год) × 70%, де Х - ємність батареї, отримуємо розрахункову місткість батареї приблизно 120 А · год. Правда, необхідно пам'ятати, що втрати енергії в самій батареї складуть близько 15%, а значить, сумарна ємність повинна складати 138 А · год. (Таку ємність з запасом забезпечують три автомобільних свинцево-кислотних акумулятора ємністю по 55 А · год.)

Для розрахунку сумарної потужності і кількості сонячних елементів необхідно врахувати інсоляцію - кількість потрапляє на поверхню прямого сонячного світла. Наприклад, для Москви, розташованої на висоті 187 метрів над рівнем моря і на широті 56 °, цей показник максимальний в червні: Еіюнь = 168 кВт / м2 (тут і далі наводяться показники для майданчика, розташованого під кутом 40 ° до горизонту і спрямованої на південь). Оскільки на екваторі інсоляція на рівні моря становить 1000 Вт · год / м2, то за весь червень один квадратної метр похилій майданчики в Москві отримує сонячної енергії стільки ж, скільки аналогічна поверхню на екваторі за 167 годин. Фактично показник інсоляції, поділений на 1 кВт · год, показує час, за яке сонячні елементи виробляють електроенергії стільки ж, скільки на екваторі. Насправді ж на широті Москви на один квадратний метр в червні припадає лише 700-750 Вт сонячної енергії. Іншими словами, один квадратний метр поверхні в Москві отримує за півтора червневих години стільки ж енергії, скільки на екваторі за годину. Ось чому за весь світловий день в червні Москва отримує світла стільки, скільки на екваторі надходить за 5,6 години. Таким чином, денний показник інсоляції в Москві в червні становить єден в червні = 5,6 кВт · год / м2, а в грудні і того менше - всього Едекабрь = 2,2 кВт · год / м2. З травня по серпень середньоденний рівень інсоляції в Підмосков'ї становить єден влітку = 5,25 кВт · год / м2.

Залишається розрахувати, скільки буде потрібно модулів сонячних батарей для зарядки акумуляторів. Потужність одного модуля сонячної батареї сьогодні знаходиться в межах від 10 до 300 Вт · год. Припустимо, що використовуються модулі потужністю Pw = 50 Вт · год. Вартість такого модуля становить приблизно 200 доларів, або 4800 рублів (4 долари за 1 Вт · год виробленої енергії). Такий модуль виробить енергії за день:

Таким чином, щоб забезпечити споживача необхідною енергією в грудні, буде потрібно не менше 29 модулів, зате влітку досить чотирьох модулів сонячних батарей.

Тепер можна прикинути вартість всієї фотоелектричної системи. Якщо виходити з її використання протягом цілого року, то буде потрібно 6 свинцево-кислотних акумуляторів ємністю 55 А · год (в таблиці вказані ціни на серпень 2008 року).

Звичайно, використовувати сонячні елементи в Москві цілий рік сенсу поки немає. Подібна система коштувала б близько 150 тис. Рублів, але більшу частину року працювала занадто неефективно, а влітку її ккд склав би всього 14%. На жаль, Москва не надто багата запасами сонячної енергії. Скажімо, на широті Сочі для нашої гіпотетичної системи на рік вистачило б 8 модулів, а її вартість склала б близько 50 тис. Рублів. Влітку ефективно використовувати фотоелементи можна і в Заполяр'ї. Сонце, що не опускається за горизонт, посилає за добу на сонячні батареї енергії більше, ніж на екваторі за весь світловий день.

На жаль, широке застосування фотоелектричних систем поки стримує висока ціна. Проте їх вже можна використовувати в місцях, куди важко і дорого тягнути дроти. Варто також взяти до уваги, що витрати на фотоелектричні систему можна порівняти з цінами на бензинові міні-електрогенератори, яким потрібна ще й недешеве пальне.