Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Провода и кабели | Электрические схемы
Автоматизация | Тренды, актуальные вопросы | Передовые энергетические технологии | Обучение электриков | Контакты



 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / Полезная информация / История электричества / Гелиоэнергетика / История фотовольтаики, как были созданы первые солнечные батареи


 Школа для электрика в Telegram

История фотовольтаики, как были созданы первые солнечные батареи


Открытия, эксперименты и теории

История фотовольтаики начинается с открытия фотоэлектрического эффекта. Вывод о том, что ток между металлическими электродами, погруженными в раствор (жидкость), изменяется в зависимости от интенсивности освещения, был представлен Французской академии наук на ее заседании в понедельник, 29 июля 1839 года, Александром Эдмоном Беккерелем. Впоследствии он опубликовал статью.

Его отец, Антуан Сезар Беккерель, иногда упоминается как первооткрыватель. Это может быть связано с тем, что Эдмонду Беккерелю на момент публикации было всего 20 лет, и он все еще работал в лаборатории своего отца.

Фотоэлектрические панели

Великий шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл был среди многих европейских ученых, заинтригованных поведением селена, на которое впервые обратило внимание научное сообщество в статье Уиллоуби Смита, опубликованной в Журнале Общества инженеров телеграфии за 1873 год.

Смит, главный электрик (инженер-электрик) компании Gutta Percha Company, использовал селеновые стержни в конце 1860-х годов в устройстве для обнаружения дефектов в трансатлантическом кабеле перед погружением. Хотя селеновые стержни хорошо работали ночью, они работали ужасно, когда выглянуло солнце.

Подозревая, что особые свойства селена как-то связаны с количеством падающего на него света, Смит поместил стержни в коробку со скользящей крышкой. Когда ящик был закрыт и свет выключен, сопротивление стержней - степень, в которой они препятствуют прохождению через них электрического тока - было максимальным и оставалось постоянным. Но когда крышка коробки была снята, их проводимость немедленно «увеличилась в соответствии с интенсивностью света».

Среди исследователей, изучавших влияние света на селен после доклада Смита, были два британских ученых, профессор Уильям Гриллс Адамс и его ученик Ричард Эванс Дэй.

В конце 1870-х годов они подвергали селен множеству экспериментов, и в одном из этих опытов они зажгли свечу рядом с брусками селена, которые использовал Смит. Стрелка на их измерительном устройстве среагировала немедленно. Защита селена от света привела к тому, что стрелка мгновенно опустилась на ноль.

Эти быстрые реакции исключили возможность того, что тепло пламени свечи произвело ток, потому что, когда тепло подается или отводится в термоэлектрических экспериментах, игла всегда поднимается или опускается медленно. «Следовательно, - заключили следователи, - «Было ясно, что ток может быть запущен в селене только под действием света». Адамс и Дэй назвали ток, производимый светом, «фотоэлектрическим».

В отличие от фотоэлектрического эффекта, наблюдаемого Беккерелем, когда ток в электрической ячейке изменялся под действием света, в этом случае электрическое напряжение (и ток) генерировалось без действия внешнего электрического поля только под действием света.

Адамс и Дей даже создали модель концентрированной фотоэлектрической системы, которую они представили многим выдающимся личностям в Англии, но не довели ее до практического применения.

Еще одним создателем фотоэлектрических элементов на основе селена был американский изобретатель Чарльз Фриттс в 1883 году. 

Он намазал широкий тонкий слой селена на металлическую пластину и покрыл ее тонкой полупрозрачной пленкой из сусального золота. Этот селеновый модуль, как сообщил Фриттс, вырабатывал ток «непрерывный, постоянный и значительной силы… не только под воздействием солнечного света, но также и при тусклом рассеянном дневном свете и даже при свете лампы».

Но эффективность его фотоэлектрических элементов была менее 1%. Тем не менее он считал, что они могут составить конкуренцию угольным электростанциям Эдисона.

Солнечные панели Чарльза Фриттса

Солнечные панели Чарльза Фриттса из покрытого золотом селена на крыше Нью-Йорка в 1884 году

Фриттс отправил одну из своих солнечных батарей Вернеру фон Сименсу, чья репутация была на одном уровне с Эдисоном.

Электрическая мощность панелей при освещении настолько впечатлила Сименса, что известный немецкий ученый представил панель Фриттса Королевской академии Пруссии. Сименс заявил научному миру, что американские модули «впервые представили нам прямое преобразование энергии света в электрическую».

Немногие ученые прислушались к призыву Сименса. Открытие, казалось, противоречило всему, во что верила наука в то время.

Селеновые стержни, используемые Адамсом и Дэем, и «волшебные» панели Фритта не полагались на известные физике способы для выработки энергии. Поэтому большинство исключило их из сферы дальнейших научных исследований.

Панели для производства электроэнергии из солнечного света

Физический принцип фотоэлектрического явления был теоретически описан Альбертом Эйнштейном в его работе 1905 года об электромагнитном поле, которую он применил к электромагнитному полю, которую Макс Карл Эрнст Людвиг Планк опубликовал на рубеже веков.

Объяснение Эйнштейна показывает, что энергия выпущенного электрона зависит только от частоты излучения (энергии фотонов), а количество электронов от интенсивности излучения (количества фотонов). Именно за свою работу по развитию теоретической физики, особенно за открытие законов фотоэлектрического эффекта, Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году.

Смелое и новое описание света Эйнштейном в сочетании с открытием электрона и последовавшим за этим стремлением к исследованию его поведения - все происходило на рубеже XIX века - предоставило фотоэлектричеству научную основу, которой раньше не хватало и которая теперь могла объяснить явление в терминах, понятных науке.

В таких материалах, как селен, более мощные фотоны несут достаточно энергии, чтобы сбить плохо связанные электроны с их атомных орбит. Когда провода прикрепляются к селеновым стержням, высвободившиеся электроны проходят через них в виде электричества.

Экспериментаторы девятнадцатого века назвали этот процесс фотоэлектрическим, но к 1920-м годам ученые назвали это явление фотоэлектрическим эффектом.

В своей книге 1919 года о солнечных элементах Томас Бенсон похвалил работу пионеров с селеном как предшественником «неизбежного солнечного генератора».

Однако, поскольку на горизонте не было никаких открытий, глава подразделения фотоэлектричества Westinghouse мог только заключить: «Фотоэлементы не будут интересны инженерам-практикам, пока их эффективность не повысится как минимум в пятьдесят раз».

Авторы книги «Фотоэлектричество и его приложения» согласились с пессимистическим прогнозом, написав в 1949 году: «Нужно оставить на будущее, откроет ли открытие материально более эффективных ячеек возможность использования солнечной энергии в полезных целях».

Механизмы возникновения фотогальванических эффектов: Фотовольтаический эффект и его разновидности

Солнечная энергетика

Фотогальваника на практике

В 1940 году Рассел Шумейкер Ол случайно создал PN-переход на кремнии и обнаружил, что он производит электричество при освещении. Он запатентовал свое открытие. КПД был около 1%.

Современная форма солнечных элементов родилась в 1954 году в Bell Laboratories. В экспериментах с легированным кремнием была обнаружена его высокая светочувствительность. В результате был создан фотоэлектрический элемент с КПД около шести процентов.

Руководители компании Proud Bell представили прессе солнечную батарею Bell 25 апреля 1954 года, продемонстрировав панель элементов, которые полагались исключительно на энергию света для управления колесом обозрения. На следующий день ученые Bell запустили радиопередатчик на солнечной энергии, который транслировал голос и музыку ведущим ученым Америки, собравшимся на встречу в Вашингтоне.

Первые солнечные фотоэлементы

Первые солнечные фотоэлементы были разработаны в начале 1950-х годов

Электромонтер Southern Bell производит монтаж солнечной батареи в 1955 году

Электромонтер Southern Bell производит монтаж солнечной батареи в 1955 году

Фотоэлектрические элементы используются в качестве источника электроэнергии для питания различных приборов с конца 50-х годов XX века на космических спутниках. Первым спутником с фотоэлементами был американский спутник Vanguard I (Авангард I), запущенный на орбиту 17 марта 1958 года.

Американский спутник Vanguard I, 1958 год

Американский спутник Vanguard I, 1958 год

Спутник Vanguard I все еще находится на орбите. Он провел в космосе более 60 лет (считается самым старым искусственным объектом в космосе).

Авангард I был первым спутником, работающим от солнечной энергии, его солнечные элементы обеспечивали питание спутника в течение семи лет. Он прекратил посылать сигналы на Землю в 1964 году, но с тех пор исследователи все еще использовали его, чтобы получить представление о том, как Солнце, Луна и атмосфера Земли влияют на орбитальные спутники.

Американский спутник Explorer 6 с поднятыми солнечными батареями, 1959 год

Американский спутник Explorer 6 с поднятыми солнечными батареями, 1959 год

За некоторыми исключениями, это основной источник электроэнергии для устройств, которые, как ожидается, будут работать в течение длительного времени. Суммарная мощность фотоэлектрических панелей на Международной космической станции (МКС) составляет 110 кВт·ч.

Солнечные панели в космосе

Солнечные панели в космосе

Цены на первые фотоэлементы в 1950-х годах составляли тысячи долларов за ватт номинальной мощности, а потребление энергии для их производства превышало количество электричества, которое эти элементы производили в течение всего срока их службы.

Причина заключалась, помимо низкой эффективности, в том, что при производстве фотоэлектрических элементов использовались практически те же технологические и энергоемкие процедуры, что и при производстве микрочипов.

В земных условиях фотоэлектрические панели сначала использовались для питания небольших приборов в удаленных местах или, например, в буях, где было бы чрезвычайно сложно или невозможно подключить их к электросети. Основным преимуществом фотоэлектрических панелей перед другими источниками электроэнергии было то, что они не нуждаются в топливе и обслуживании.

Первые серийные фотоэлектрические панели появились на рынке в 1979 году.

Повышенный интерес к фотогальванике как к источнику энергии в земных условиях, как и к другим возобновляемым источникам, был вызван нефтяными кризисами 1970-х годов.

С тех пор проводились интенсивные исследования и разработки, которые привели к повышению эффективности, снижению цен и увеличению срока службы фотоэлектрических элементов и панелей. В то же время энергоемкость производства снизилась до такой степени, что панель вырабатывает во много раз больше энергии, чем было использовано для ее производства.

Маяк с солненчными панелями

Самые старые (до сих пор эксплуатируемые) крупные наземные сооружения относятся к началу 1980-х годов. В то время все еще полностью преобладали элементы из кристаллического кремния, срок службы которых подтвержден в реальных условиях не менее 30 лет.

Основываясь на опыте, производители гарантируют, что производительность панели снизится максимум на 20% через 25 лет (однако результаты упомянутых установок значительно лучше). Для других типов панелей срок службы оценивается на основании ускоренных испытаний.

В дополнение к оригинальным монокристаллическим кремниевым элементам за прошедшие годы был разработан ряд новых типов фотоэлектрических элементов, как кристаллических, так и тонкопленочных. Однако кремний по-прежнему является доминирующим материалом в фотовольтаике.

Современные фотоэлектрические технологии

Фотоэлектрические технологии пережили большой бум с 2008 года, когда цены на кристаллический кремний начали стремительно падать, в основном из-за переноса производства в Китай, который до этого был миноритарным игроком на рынке (большая часть фотоэлектрического производства была сосредоточена в Японии, США, Испания и Германия).

Фотовольтаика получила широкое распространение только с внедрением различных систем поддержки. Первой была программа субсидирования в Японии, а затем система закупочных цен в Германии. Впоследствии аналогичные системы были внедрены в ряде других стран.

Солнечные панели на крыше многоэтажного здания в Берлине

Сегодня фотоэлектрическая энергия является наиболее распространенным возобновляемым источником энергии, а также очень быстрорастущей отраслью. Его широко устанавливают на крышах зданий, а также на землях, которые нельзя использовать для сельскохозяйственных работ.

Последние тенденции также включают водные установки в виде плавающих фотоэлектрических систем и агро-фотоэлектрических установок, сочетающих фотоэлектрические установки с сельскохозяйственным производством.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика