Солнечная энергия — огромный, неисчерпаемый и чистый ресурс
Солнечная выработка электроэнергии представляет собой чистую альтернативу электроэнергии из добываемого топлива, без загрязнения воздуха и воды, отсутствием глобального загрязнения окружающей среды и без каких-либо угроз для нашего общественного здравоохранения. Всего 18 солнечных дней на Земле содержит такое же количество энергии, какая хранится во всех запасах планеты угля, нефти и природного газа. За пределами атмосферы, солнечная энергия содержит около 1300 ватт на квадратный метр. После того, как она достигнет атмосферы, около одной трети этого света отражается обратно в космос, в то время как остальные продолжают следовать к поверхности Земли.
Усредненные по всей поверхности планеты, квадратный метр собирает 4,2 киловатт-часов энергии каждый день, или приблизительный энергетический эквивалент почти барреля нефти в год. Пустыни, с очень сухим воздухом и небольшим количеством облачности, могут получить более чем 6 киловатт-часов в день на квадратный метр в среднем в течение года.
Преобразование солнечной энергии в электричество
Фотоэлектрические (PV) панели и концентрация солнечной энергии (CSP) объектов захвата солнечного света могут превратить его в полезную электроэнергию. Крыши PV панели делают солнечную энергию жизнеспособной практически в каждой части Соединенных Штатов. В солнечных местах, таких как Лос-Анджелес или Феникс, система 5 киловатт производит в среднем 7000 до 8000 киловатт-часов в год, что примерно эквивалентно использованию электроэнергии типичного домохозяйства США.
В 2015 году почти 800 000 фотоэлектрических систем были установлены на крышах домов по всей территории Соединенных Штатов. Крупномасштабные PV проекты используют фотоэлектрические панели для преобразования солнечного света в электричество. Эти проекты часто имеют выходы в диапазоне сотен мегаватт, а это миллионы солнечных панелей, установленных на большой площади земли.
Как работают панели солнечных батарей
Многие из нас так или иначе сталкивались с солнечными элементами. Кто-то пользовался или пользуется солнечными батареями для получения электричества в бытовых целях, кто-то использует небольшую солнечную панель для зарядки любимого гаджета в полевых условиях, а кто-то уж точно видел маленький солнечный элемент на микрокалькуляторе. Некоторым даже посчастливилось побывать на солнечной электростанции.
Но задумывались ли вы когда-нибудь о том, как происходит процесс преобразования солнечной энергии в энергию электрическую? Какое физическое явление лежит в основе работы всех этих солнечных элементов? Давайте обратимся к физике и разберемся в процессе генерации детально.
С самого начала очевидно, что источником энергии здесь является солнечный свет, или, выражаясь научным языком, электрическая энергия получается благодаря фотонам солнечного излучения. Эти фотоны можно представить себе как непрерывно движущийся от Солнца поток элементарных частиц, каждая из которых обладает энергией, и следовательно весь световой поток несет в себе какую-то энергию.
С каждого квадратного метра поверхности Солнца непрерывно излучается по 63 МВт энергии в форме излучения! Максимальная интенсивность этого излучения приходится на диапазон видимого спектра — волны с длиной от 400 до 800 нм.
Так вот, ученые определили, что плотность энергии потока солнечного света на расстоянии от Солнца до Земли в 149600000 километров, после его прохождения через атмосферу, и по достижении поверхности нашей планеты, составляет в среднем приблизительно 900 Вт на квадратный метр.
Здесь эту энергию можно принять и попытаться получить из нее электричество, то есть преобразовать энергию светового потока Солнца — в энергию движущихся заряженных частиц, проще говоря — в электрический ток.
Для преобразования света в электричество нам потребуются так называемые солнечные ячейки — фотоэлектрические преобразователи в виде вырезанных из кремния пластин.
Лучшие — монокристаллические, они обладают КПД порядка 18%, то есть если поток фотонов от солнца обладает плотностью энергии в 900 Вт/кв.м, то можно рассчитывать на получение 160 Вт электричества с квадратного метра батареи, собранной из таких ячеек.
Работает здесь явление, называемое «фотоэффектом». Фотоэффект или фотоэлектрический эффект — это явление испускания электронов веществом (явление вырывания электронов из атомов вещества) под действием света или любого другого электромагнитного излучения.
Еще в 1900 году Макс Планк, отец квантовой физики, выдвинул предположение, что свет излучается и поглощается отдельными порциями или квантами, которые позже, а именно в 1926 году, химик Гилберт Льюис назовет «фотонами».
Каждый фотон обладает энергией, которая может быть определена по формуле Е = hv — постоянная Планка умножить на частоту излучения.
В соответствии с идеей Макса Планка стало объяснимым явление, открытое в 1887 году Герцем, и исследованное затем досконально с 1888 по 1890 год Столетовым. Александр Столетов экспериментально изучил фотоэффект и установил три закона фотоэффекта (законы Столетова):
Позже, в 1905 году, теорию фотоэффекта прояснит Эйнштейн. Он покажет, как квантовая теория света и закон сохранения и превращения энергии превосходно объясняют происходящее и наблюдаемое. Эйнштейн запишет уравнение фотоэффекта, за которое в 1921 году получит Нобелевскую премию:
Работы выхода А здесь — это минимальная работа, которую необходимо совершить электрону чтобы покинуть атом вещества. Второе слагаемое — кинетическая энергия электрона после выхода.
То есть фотон поглощается электроном атома, благодаря чему кинетическая энергия электрона в атоме возрастает на величину энергии поглощенного фотона.
Часть этой энергии расходуется на выход электрона из атома, электрон выходит из атома и получает возможность свободно двигаться. А направленно движущиеся электроны — это ничто иное, как электрический ток или фототок. В итоге можно говорить о возникновении ЭДС в веществе в результате фотоэффекта.
Стало быть, солнечная батарея работает благодаря действующему в ней фотоэффекту. Но куда движутся «выбитые» электроны в фотоэлектрическом преобразователе? Фотоэлектрический преобразователь или солнечная ячейка или фотоэлемент — это полупроводник, следовательно фотоэффект в нем происходит необычно, это внутренний фотоэффект, и он имеет даже специальное название «вентильный фотоэффект».
Под действием солнечного света в p-n переходе полупроводника возникает фотоэффект и появляется ЭДС, но электроны не покидают фотоэлемент, все происходит в запирающем слое, когда электроны покидают одну часть тела, переходя в другую его часть.
Кремния в земной коре 30% от ее массы, поэтому его всюду и используют. Особенность полупроводников вообще заключается в том, что они и не проводники и не диэлектрики, их проводимость зависит от концентрации примесей, от температуры и от воздействия излучений.
Ширина запрещенной зоны в полупроводнике составляет несколько электрон-вольт, и это как раз разность энергий между верхним уровнем валентной зоны атомов, откуда вырываются электроны, и нижним уровнем зоны проводимости. У кремния запрещенная зона имеет ширину 1,12 эВ — как раз то что нужно для поглощения солнечного излучения.
Итак, p-n переход. Легированные слои кремния в фотоэлементе образуют p-n переход. Здесь получается энергетический барьер для электронов, они покидают валентную зону и движутся только в одном направлении, в противоположном направлении движутся дырки. Так и получается ток в солнечном элементе, то есть имеет место генерация электроэнергии из солнечного света.
P-n переход, подвергаемый действию фотонов, не позволяет носителям заряда — электронам и дыркам — двигаться иначе, чем только в одном направлении, они разделяются и оказываются по разные стороны от барьера. И будучи присоединен к цепи нагрузки посредством верхнего и нижнего электродов, фотоэлектрический преобразователь, подвергаемый действию солнечного света, создаст во внешней цепи постоянный электрический ток.
Солнечные фотоэлектрические (PV) панели на основе высокой, но удивительно простой технологии, которая преобразует солнечный свет непосредственно в электричество.
В 1839 году французский ученый Эдмонд Беккерель обнаружил, что некоторые материалы будут испускать искры электричества при ударе с солнечным светом. Исследователи обнаружили, что в ближайшее время это свойство, называемое фотоэлектрический эффект, может быть использовано; первая фотоэлектрическая (PV) ячейка изготовлена была из селена в конце 1800-х годов. В 1950 году ученые в Bell Labs пересматривали технологии и, используя кремний, произведенный в фотоэлементы, смогли преобразовать энергию солнечного света непосредственно в электричество.
Компоненты PV ячейки
Наиболее важными компонентами PV ячейки являются два слоя полупроводникового материала, обычно состоящего из кристаллов кремния. Сам по себе кристаллизирующийся кремний является не очень хорошим проводником электричества, поэтому в него намеренно добавляют примеси — процесс, называемый допинг-этап.
Нижний слой из фотоэлементов обычно состоит из легированного борома, который в связке с кремнием создает положительный заряд (p), в то время как верхний слой, легированный фосфором, взаимодействуя с кремнием — отрицательный заряд (n).
Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку и возвращаясь в n-слой.
беспилотные самолеты на солнечной энергии
Каждая ячейка генерирует очень мало энергии (несколько ватт), поэтому они сгруппированы в виде модулей или панелей. Панели затем либо используются как отдельные единицы или сгруппированы в более крупные массивы.
Переход к электрической системе с большим количеством солнечной энергии дает много преимуществ.
Стоимость солнечных батарей быстро уменьшается (в 1970 году -1кВт-ч электроэнергии, вырабатываемой с их помощью стоил 60 долларов, в 1980 году – 1доллар, сейчас -20-30 центов). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 25% в год, а ежегодный объем от продаваемых батарей превышает (по мощности) 40мВт. КПД солнечных батарей, достигавший в середине 70-х годов в лабораторных условиях 18%, составляет в настоящее время 28,5% для элементов из кристаллического кремния и 35% — из двухслойных пластин из арсенида галлия и антимода галлия. Разработаны многообещающие элементы из тонкопленочных (толщиной 1-2мкм) полупроводниковых материалов: хотя их КПД низок (не выше 16%), стоимость очень мала (не более 10% от стоимости современных солнечных батарей). В скором времени ученые предполагают, что стоимость 1кВт-ч будет равна 10 центам, что поставит солнечную энергетику на первые места в энергетической независимости многих стран.
Перовскит «удешевит» солнечную энергию
Еще в 2013 году новость разнеслась по просторам сети: минерал перовскит произведет революцию в солнечной энергетике. Применение вместо кремния перовскита позволит снизить стоимость производства электроэнергии при помощи солнечных батарей. Перовскит (титанат кальция) был обнаружен в начале 19 века в Уральских горах, назван в честь Л.А. Перовского (известного любителя минералов). Как компонент фотоэлемента начал использоваться в 2009 году.
Батареи покрываются инновационным недорогим фотоэлементом, основное достоинство которого в том, что он может конвертировать в энергию намного большее количество частей солнечного света. Перовскиты представляют собой кристаллическую структуру, которая позволяет с максимальной эффективностью впитывать солнечный свет. По предварительным оценкам использование батарей на основе перовскита может снизить стоимость киловатта энергии в семь раз.
«Главное преимущество новых фотоэлементов заключается не столько в эффективности, сколько в том, что материал чертовски дешев. Батареи на основе перовскита, в которых не используется кремний, могут сделать солнечную энергетику по-настоящему массовой».
Солнечная энергия для ЦОД
10 % всей производимой в мире электроэнергии потребляют серверные фермы. Так как энергоэффективные сети и возобновляемые источники энергии сейчас внедряются во всех отраслях, ЦОД не остались в стороне. Негативное влияние серверных ферм на окружающую среду давно уже на устах экологов. Поэтому владельцы дата-центров стремятся к снижению негативного воздействия своих ЦОД, прибегая к передовым энергосберегающим и «зеленым» технологиям выработки электроэнергии, сюда можно отнести фрикулинг, системы локальных генерирующих мощностей на базе возобновляемых источников энергии.
Как выход — солнечная электростанция рядом с серверной фермой, в тех странах, где это позволяют климатические условия. Она идеальна для серверных ферм, которые развернуты в тропиках или субтропиках. Ведь использование солнечных панелей на крыше ЦОД, кроме того что предоставит «зеленую энергию», так еще и поможет уменьшить тепловую нагрузку на здание, так как создаваемая ими тень минимизирует количество поглощаемого крышей тепла. Гелиоэлектростанция снизит общий негативный эффект дата-центра на экологию, и повысит надежность ЦОД расположенных в регионах, где наблюдаются перебои в работе центральной электросети.
крупная электростанция на базе возобновляемых источников энергии рядом с дата-центром Apple в городе Мейден, штат Северная Каролина (США)
Switch совместно с энергетической компанией Nevada Power начала сооружение рядом с Лас-Вегасом солнечной станции Switch Station мощностью 100 МВт. В американских СМИ компанию Switch называют «возмутителям спокойствия» на рынке коммерческих ЦОД, это один из крупнейших игроков, данной отрасли. Компания занимается сооружением и поддержкой datacenter facilities – зданий и и инженерной инфраструктуры без собственно вычислительной аппаратуры, ее основная модель взаимодействия с клиентами – colocation.
крупнейшая в мире гелиотермальная электростанция Айванпа мощностью 400 МВт
Интересно
Немецкий архитектор Андре Броезель из компании Rawlemon создал солнечую батарею в форме движущего стеклянного шара. Он называет его генератором нового поколения, который будет ловить максимальное количество лучей, так как он оснащен системой отслеживания перемещения солнца и датчиками смены погоды, а это на 35 % эффективней в сравнении с стандартными солнечными батареями.
Японская энергетическая компания Shimizu Corporation в 2015 году обьявила о своем намерение построить крупную солнечную электростанцию на естественном спутнике нашей планеты — Луне. Электростанция в виде колец с солнечными батареями будет опоясывать Луну по примеру планеты Сатурн и передавать энергию на Землю. От такой солнечной станции Shimizu Corporation ожидает 13 тысяч тераватт энергии/ год. Еще не известна стоимость и дата начала такого космического строительства.
В институте прогрессивной архитектуры в Каталонии разработали солнечную панель, которая может функционировать на растениях, мхе и почве. Плюсом такой технологии является отказ от опасных токсичных материалов и тяжелых металлов в производстве солнечных панелей. Тут используются специальные бактерии в крохотных топливных ячейках, размещенных в земле под корнями растений. Бактерии нужны для выработки дешевой энергии в мини-батареях. Растения будут обеспечивать жизненный цикл бактерий, а вода служить в качестве подпитки для всей системы. Такая инновационная система может работать на территориях, где солнечного света не так уж и много, если заменить растения мхом, так как он может расти в тени.
Направления научных исследований
При производстве фотоэлементов уровень загрязнений не превышает допустимого уровня для предприятий микроэлектронной промышленности. Современные фотоэлементы имеют срок службы 30—50 лет. Применение кадмия, связанного в соединениях, при производстве некоторых типов фотоэлементов с целью повышения эффективности преобразования, ставит сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения, хотя такие элементы имеют незначительное распространение, и соединениям кадмия при современном производстве уже найдена достойная замена.
В последнее время активно развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния, по отношению к массе подложки, на которую наносятся тонкие плёнки. Из-за малого расхода материалов на поглощающий слой, здесь кремния, тонкоплёночные кремниевые фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность и неустранимую деградацию характеристик во времени. Кроме того, развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов на других полупроводниковых материалах, в частности Смиг, достойный конкурент кремнию. Так, например, в 2005 году компания Shell приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству монокристаллических (нетонкоплёночных) кремниевых фотоэлектрических элементов.
Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий, растительности и т. д. Нежелательное экологическое действие в районе расположения станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Применение низкокипящих жидкостей и неизбежные их утечки в солнечных энергетических системах во время длительной эксплуатации могут привести к значительному загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами.
