Солнечные батареи

Солнечные панели позволяют сделать электричество чуть ли не бесплатным.

Солнце есть и будет всегда! Возможно, это слишком смелое заявление, но это действительно так. По крайней мере, с точки зрения человечества. Пусть оно и взорвется через сколько-то там миллионов лет, но к тому времени мы уже покинем эту планету или сами, или в виде кучки пепла, которую развеет в космосе очередной огромный камень, налетевший на наш голубой шарик. Именно из-за такой стабильности Солнца его можно и нужно использовать для получения энергии. Люди уже давно научились это делать и сейчас продолжают совершенствовать технологии солнечной энергетики. Но как же работают солнечные панели, батареи и вообще, как можно превратить свет в электричество внутри розетки?

Когда появились солнечные батареи

Солнечные батареи были изобретены достаточно давно. Впервые эффект преобразования света в электричество был обнаружен Александром Эдмоном Беккерелем в 1842 году. Для создания первых прототипов потребовалось почти сто лет.

В 1948 году, а именно 25 марта, итальянский фотохимик Джакомо Луиджи Чемичан смог сделать то, что мы теперь используем и развиваем. Спустя 10 лет в 1958 году технология впервые была опробована в космосе в качестве элемента питания американского спутника, названного Авангард-1. Спутник был запущен 17 марта, а уже 15 мая того же года это достижение повторили в СССР (аппарат Спутник-3). То есть технологи начала массово применяться в разных странах почти одновременно.

Использование солнечных панелей в космосе — обычная практика.

Подобные конструкции применяются в космосе до сих пор, как важный источник энергии. А еще их используют на Земле для обеспечения энергией домов и даже целых городов. А еще их начали встраивать в гражданские электромобили для обеспечения большей автономности.

Как работают солнечные панели

Стоит немного уточнить, что понятие солнечная батарея не очень правильное. Точнее правильное, но не имеющее отношение к тем системам питания, о которых мы говорим. Батарея там обычная, но получает энергию от солнечных панелей, которые преобразуют в электричество свет солнца.

Есть и еще одна энергия будущего - токамак. Просто о термоядерном реакторе, которого пока нет.

В основе солнечной панели лежат фотоэлектрические ячейки, которые помещены внутрь общей рамы. Для создания таких ячеек чаще всего используется кремний, но возможно использование и других полупроводников.

Энергия вырабатывается в тот момент, когда на полупроводник попадают солнечные лучи и нагревают его. В результате этого внутри полупроводника высвобождаются электроны. Под действием электрического поля электроны начинают двигаться более упорядоченно, что и приводит к появлению электрического тока.

Примерно так выглядит солнечная панель.

Для того, чтобы получить электричество, надо подключить контакты к обеим сторонам фотоэлемента. В результате этого он начнет питать электричеством подключенный потребитель или просто заряжать батарею, которая потом будет отдавать электричество в сеть, когда это понадобится.

Tesla может сделать электрическую маршрутку на базе Model 3

Основной упор на кремний делается из-за его кристаллических особенностей. Впрочем, в чистом виде кремний сам по себе является плохим проводником и для изменения свойств к нему делается крайне малое количество примесей, которые улучшают его проводимость. В основном в число примесей входит фосфор.

Как полупроводники вырабатывают электричество?

Полупроводник является материалом, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо их не хватает (p-тип). То есть полупроводник состоит из двух слоев с разной проводимостью.

В качестве катода в такой схеме используется n-слой. Анодом является p-слой. То есть электроны из первого слоя могут переходить во второй. Переход происходит за счет выбивания электронов фотонами света. Один фотон выбивает один электрон. После этого они, проходя через аккумулятор, попадают обратно в n-слой и все идет по кругу.

Когда энергия выработана, все начинается по кругу, а свет всегда горит.

В современных солнечных панелях в качестве полупроводника используется кремний, а начиналось все с селена. Селен показал крайне низкий КПД — не более одного процента — и ему сразу стали искать замену. Сейчас кремний в целом удовлетворяет требования промышленности, но есть у него и один существенный минус.

Как связаны коронавирус, солнечные панели и загрязнение воздуха?

Обработка и очистка кремния для приведения его к тому виду, в котором его можно будет использовать, является достаточно затратной процедурой. Чтобы снизить стоимость производства, проводят эксперименты с его альтернативами — медью, индием, галием и кадмием.

Эффективность солнечных панелей

Есть у кремния еще один минус, который не так существенен, как стоимость, но с которым тоже надо бороться. Дело в том, что кремний очень сильно отражает свет и из-за этого элемент вырабатывает меньше электричества.

Даже повесив столько панелей, все равно надо обеспечивать их нормальную работу. В том числе бороться с отражением света.

Как солнечный свет влияет на продуктивность человека?

Для того, чтобы уменьшить такие потери, фотоэлементы покрывают специальным антибликовым покрытием. Кроме такого слоя, надо использовать и защитный слой, который позволит элементу быть более долговечным и противостоять не только дождю и пыли, но даже падающим веткам небольшого размера. При установке на крыше дома это очень актуально.

Солнце -сила! Ее надо использовать!

Несмотря на общую удовлетворенность технологией и постоянную борьбу за улучшение показателей, современным солнечным панелям все равно есть куда стремиться. На данный момент массово производятся панели, которые перерабатывают до 20 процентов попадающего на них света. Но есть и более современные панели, которые пока доводятся до ума — они могут перерабатывать до 40 процентов света.

А вообще, солнечная энергетика это круто! И помните, даже при таком «пАлящем» солнце система будет работать.

Вручную почистить миллионы солнечных панелей невозможно, так какой же выход нашли инженеры? Источник: philergy.com

Крупные солнечные электростанции обычно строятся в пустынях, где много пространства для установки тысяч панелей для выработки энергии. К тому же, там редко бывают пасмурные дни, поэтому почти всегда светит солнце. Но есть одна большая проблема: каждый день на поверхности солнечных панелей оседает большое количество песка и грязи, из-за которых вырабатывается меньше электричества. Домашние солнечные панели можно просто облить из шланга или почистить щеткой. Но что делать, если панелей тысячи или даже миллионы? Неужели существуют бригады рабочих, которые каждый день ходят под палящим солнцем и вручную все это моют?

Очистка солнечных батарей водой

Само собой разумеется, на крупных солнечных электростанциях нет тысяч рабочих, которые занимаются их мытьем вручную. Это просто невозможно, потому что солнечные панели установлены на землях площадью в десятки или даже сотни квадратных километров. Например, самая большая солнечная электростанция в мире Midong простирается на 133,5 квадратных километров и состоит из более 5 миллионов солнечных панелей.

На небольших станциях обливать панели можно и вручную. Источник: eenergy.media

Чаще всего солнечные панели обливаются водой, при помощи тяжелой техники или летательных аппаратов. Вода быстро смывает всю грязь, однако в пустыни ее приходится доставлять на грузовиках, а это очень дорого. К тому же, она обязательно должна быть чистой, чтобы не оставлять на поверхности панелей отложения, которые и сами по себе являются грязью.

Очистка солнечных панелей при помощи дрона. Источник: sciencetoday.ru

По данным MIT Technology Review, каждый год на мытье солнечных панелей уходит по 10 миллиардов галлонов воды в год. Такого объема достаточно, чтобы обеспечить питьевой водой около 2 миллионов человек. Поэтому мытье солнечных панелей водой считается эффективным, но очень затратным способом.

Читайте также: В Таиланде открылась самая большая солнечная электростанция на воде

Роботы для мойки солнечных панелей

Еще одним эффективным, но менее затратным способом очистки солнечных панелей от пыли является использование специальной техники. По данным журнала IEEE Spectrum, на электростанции Shams 1 недалеко от Абу-Даби (ОАЭ), панели чистятся при помощи огромных щеток на роботизированных руках машины. При помощи этого инструмента очищаются 258 048 зеркал, которые занимают площадь в 2,5 квадратных километров. Руководство станции считает, что идеально очищать панели не обязательно главное, чтобы их отражательная способность не опускалась ниже 85%.

Машина с щетками для очищения солнечных панелей. Источник: spectrum.ieee.org

На солнечных электростанциях также используются роботы-пылесосы. В 2023 году компании Reiwa Engine и Enel Green Power разработали робота Sandstorm для сухой очистки панелей. Для избавления от пыли он использует щетки, а для езды колеса с хорошим сцеплением. Аппарат способен передвигаться по панелям, даже если они установлены не ровно. Также он может переступать с одной панели на другую, даже если между ними есть промежуток до 50 сантиметров.

Робот SandStorm для очистки солнечных панелей от пыли. Источник: newatlas.com

На одной из крупнейших солнечных электростанций Noor Abu Dhabi, которая находится в пустыне на северо-востоке эмирата Абу-Даби в ОАЭ, тоже трудятся роботы. Их количество переваливает за отметку в 1 400 штук этого хватает, чтобы дважды в день очищать 3,3 миллиона панелей в день.

Интересный вопрос: Может ли солнечная электростанция вырабатывать электричество по ночам?

Покрытие от пыли и влаги

Очистка водой и щетками это, конечно, хорошо. Но вода является слишком дорогим ресурсом, а щетки царапают поверхности панелей, снижая их эффективность. Было бы гораздо лучше, если пыль просто не садилась на поверхность панелей. Ученые разработали и такую технологию.

В 2022 году группа инженеров из Массачусетского технологического института разработала технологию очистки солнечных панелей при помощи электричества.

Возможно, в будущем солнечные панели вообще не будут пачкаться. Источник: inbusiness.kz

Задумка оказалась простой. Ученые предложили протянуть под панелями электрические проводники, которые создают над ними электрическое поле. Оно передает заряд частицам пыли заряд, и противоположный заряд самой батареи отталкивает их. Тесты в лаборатории показали, что система рабочая, причем способна заниматься очисткой даже при влажности воздуха до до 95%.

Еще больше интересных статей вы найдете в нашем Дзен-канале. Нас уже более 100 тысяч человек, присоединяйтесь!

К тому же, на протяжении многих лет солнечные панели покрываются гидрофобными растворами и антистатиком. Первые отталкивают от них капли дождя и другие жидкости, а вторые устраняют статический заряд, чтобы к панелям не притягивалась пыль. Это хороший способ увеличить срок службы солнечных панелей, но без очистки одним из вышеперечисленных способов не обойтись.

Последние комментарии