Тема 1. Предпосылки появления, история развития и область

Тема
1.
Предпосылки
появления,
история
развития
и
область
применения солнечных батарей. Достоинства и недостатки (1 час)
Мы можем использовать энергию солнца для разных целей. Одна из них - это
выработка электрической энергии. При использовании солнечных батарей энергия
солнца напрямую преобразуется в электрическую. Этот процесс называется
фотоэлектрический эффект (сокращенно ФЭ).
Солнечная батарея — бытовой термин, используемый в разговорной речи или
ненаучной прессе. Обычно под термином «солнечная батарея» подразумевается
несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) —
полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в
постоянный
электрический
ток.
В
отличие
от
солнечных
коллекторов,
производящих нагрев материала-теплоносителя, солнечная батарея производит
непосредственно электричество.
Предпосылки появления, история развития и область применения солнечных
батарей
Истории развития технологии:
1839 - открытие фотогальванического эффекта;
1921 - объяснение эффекта Эйншейном (Нобелевская премия по физике 1922
год);
1954 - первая кремниевая солнечная батарея (BellLaboratories, USA);
1966 - первая тонкослойная CdS/Cu2O солнечная батарея;
1974 - первая аморфная кремниевая батарея;
1983 - первая электростанция на основе солнечных батарей с мощностью
более 1мегаватт;
1984 - США, электростанция на основе солнечных батарей мощностью 6,5
мегаватт;
1985 - первая солнечная батарея с коэффициентом полезного действия больше
20%;
1987 - первое серийное производство солнечных батарей в Европе;
1989 - солнечная батарея с коэффициентом полезного действия больше 30%.
Начальной точкой развития солнечных батарей является 1839 год, когда был
открыт фотогальванический эффект. Это открытие было сделано Александром
Эдмоном Беккерелем.
Следующим этапом в истории солнечных батарей стала деятельность Чарльза
Фриттса. Через сорок четыре года после открытия Беккереля, в 1883 году, Фриттс
сконструировал первый модуль с использованием солнечной энергии.
Основой изобретения послужил селен, покрытый тонким слоем золота.
Исследователь пришёл к выводу, что данное сочетание элементов позволяет, пусть в
минимальной степени (не более одного процента), преобразовывать солнечную
энергию в электричество.
Разумеется, до создания современных солнечных батарей было ещё далеко. В
течение последующих десятилетий это направление научных исследований
развивалось нестабильно.
Периоды интенсивной деятельности сменялись резкими спадами. Многие
склонны считать, что история солнечных батарей ведёт своё начало с деятельности
Альберта Эйнштейна.
В частности, великий учёный получил в 1922 году Нобелевскую премию
именно за изучение особенностей внешнего фотоэффекта, а не за обоснование
знаменитой теории относительности.
В 30-ых годах советские физики получили электрический ток, используя
фотоэффект. Разумеется, КПД тогда не впечатлял. Он не превышал один процент,
но и это являлось серьёзным научным шагом.
Уже в 1954 году группа американских учёных добилась КПД, достигающего
шести процентов. В этом году свет увидела первая кремниевая солнечная батарея.
В 1958 году солнечная батарея стала основным источником получения
электроэнергии на космических аппаратах, как на советских, так и на американских.
Но приборы продолжали совершенствовать.
В семидесятых годах КПД составлял десять процентов. Такие показатели
были
вполне
приемлемыми
для
использования
альтернативных
устройств
получения энергии на космических аппаратах, но использовать солнечные батареи
на Земле пока не имело смысла. Да и стоили солнечные батареи весьма дорого.
Это
объяснялось
дороговизной
материала.
Например,
цена
одного
килограмма кремния составляла около ста долларов. Только в девяностых годах
наметились
определённые
позитивные
сдвиги
в
развитии
альтернативных
источников энергии и солнечных батарей в частности.
Так, событием в мире науки стал успех американских учёных. Им удалось
существенно повысить эффективность солнечных батарей, создав, особый,
цветосенсибилизированный тип (Ячейка Гретцеля). В их основе – применение
фотосенсибилизированныхмезопористых оксидных проводников.
Такие
усовершенствованные
батареи
выгодно
отличаются
от
своих
предшественников. Они более экономичны, производить их проще и дешевле. Их
массовому распространению мешает только один фактор: низкий уровень
эффективности преобразования.
Успешное и стабильное производство было налажено только в конце
восьмидесятых. В 1989 году учёные создали устройство, способное работать с КПД
более 30 процентов.
Современные солнечные батареи, производимые в промышленных масштабах,
имеют КПД около 20 процентов, а новейшие образцы – до 50 процентов. Благодаря
удешевлению, расширяется и сфера применения солнечной энергии.
Применение
Использование солнечного электричества имеет много преимуществ. Это
чистый, тихий и надежный источник энергии.
В первую очередь, батареи используются в космосе, на всех видах
орбитальных аппаратов. Правда, есть определённые ограничения, связанные с
расстоянием до Солнца: при удалении от Земли эффективность солнечных батарей
снижается, но зато при приближении – напротив, увеличивается.
Также энергия солнца находит применение в электронике. Самый успешный
опыт – микрокалькуляторы с солнечными батареями, которые на элементе
площадью 1 кв. см могут работать практически вечно. Ещё из распространённых
устройсттв можноо назватьь садовы
ые фонари
ики с фотоэлемеентами, которые
к
д
днём
накапливвают энеергию в аккумуляяторах, а ночью автоматиически включаюттся и
светят доо самого утра.
у
Боллее масш
штабное применен
п
ние солнеечных баттарей, оссобенно в комплекксе с
ветроген
нератором
м – для эн
нергообесспечения жилых домов и прромышлеенных здааний.
Особенн
но эффекттивно это в тропичческом и субтропи
ическом ппоясе, гдее в году много
м
солнечны
ых дней (напримеер, европ
пейские средиземн
с
номорскиее страны
ы). Солнеч
чные
батареи традициоонно помещают наа крышах
х домов, так они использу
уют макси
имум
возможн
ностей. А последн
ние техноологии по
озволили создать ооконное и потолоочное
ность любого здан
стекло с фотоэфф
фектом, чтто сущесттвенно по
овышает эффективн
э
ния.
Аввтономны
ые фотоэл
лектричесские систтемы (АФ
ФС) исполльзуются там, гдее нет
сетей цеентрализоованного электросснабженияя. Для обеспечениия энергией в темное
время сууток или в периоды
ы без яркоого солнечного свеета необхходима аккумулятоорная
батарея. АФС чассто испол
льзуются для элекктроснабж
жения отддельных домов.
д
М
Малые
системы позволяю
ют питатть базовую
ю нагруззку (освещ
щение и иногда телевизор
т
р или
радио). Б
Более мощ
щные сисстемы моогут такж
же питать водяной насос, радиостан
нцию,
холодилььник, элеектроинсттрумент и т.п. Система
С
состоит
с
ииз солнеечной пан
нели,
контролллера,
акккумулято
орной
б атареи,
кабелей, электриической
нагрузкки
поддерж
живающей
й структур
ры.
Рисуноок 1.1 – со
олнечныее панели, 3 – АБ, 2 – контрооллер, 4 – нагрузкаа
и
Наконец, солнечные батареи устанавливаются на электромобилях, количество
которых с каждым годом возрастает. Конечно, энергии их не хватает для
полноценной работы транспорта, но в качестве подпитки аккумулятора энергия
солнца вполне годится.
Достоинства и недостатки солнечных батарей
Достоинства
Общедоступность и неисчерпаемость источника.
Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует
вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может
изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности)
земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном
уровне потребления энергии это крайне маловероятно).
Недостатки
Зависимость от погоды и времени суток.
Как следствие необходимость аккумуляции энергии.
Высокая стоимость конструкции.
Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.
Нагрев атмосферы над электростанцией.
Несмотря на успехи, достигнутые в области солнечной энергетики,
получаемое электричество остаётся очень дорогим по сравнению с добытым при
помощи урана, угля, и даже других альтернативных источников (ветер, вода). За год
во всём мире солнечные батареи вырабатывают около 2500 МВт энергии, что
эквивалентно двум блокам обычной атомной станции.
Использованные источники:
Виссарионов
В.И.,
Дерюгина
Г.В.,
Кузнецова
В.А.,
Малинин
Н.К.,CОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: Учебное пособие для вузов / Под ред.
В.И.Виссарионова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008
Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс
лекций), 2004
http://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_батарея
http://vasheslovo.com/building/electrical-equipment/10598.html
http://sunbattery.net/story.php
http://ru.wikipedia.org/wiki/Ячейка_Гретцеля
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое фотоэлектрический эффект?
2. За что и в каком году получил нобелевскую премию А. Эйнштейн?
3. Какие наиболее распространённые способы применения солнечного
электричества вы можете назвать?
4. Перечислите достоинства солнечных батарей.
5. Перечислите недостатки солнечных батарей.