Кто и когда создал первые солнечные батареи?
Точкой отсчета развития гелио энергетики принято считать середину 20 века. Однако вопрос «кто и когда изобрел солнечные батареи» не имеет однозначного ответа. К созданию элементов, способных преобразовывать излучение в электрический ток, приложили руку многие великие ученые прошлого. А современному многообразию сотен разновидностей солнечных панелей мы обязаны командам физиков и инженеров всего мира.
- 1839: Явление фотогальванического эффекта
Александр Беккерель, изучавший влияние света на электролиты, в 1839 совершенно случайно обнаружил, что под воздействием излучения в растворе возникает электрическое напряжение. Французский физик в третьем поколении не был тем, кто придумал солнечные панели. Но именно этот эффект, впоследствии названный фотовольтаическим, положил начало будущей гелио индустрии.
- 1873: Обнаружена фотопроводимость селена
Только спустя 44 года британский инженер Уиллоби Смит смог пройти путь от жидкого электролита до твердого селена. Кусочек этого материала стал первой фотоэлектрической ячейкой, которая при поглощении излучения становилась электропроводящей. На протяжении следующих трех лет эксперименты над селеном проводили физики Уилл Адамс и Рич Дэй. В 1876 они окончательно поняли, что солнечная энергия может собираться, преобразовываться и сохранятся. Правда, пока это была только теория.
Александр Беккерель, Александр Столетов, Альберт Эйнштейн
- 1883: Первый в мире работающий фотоэлемент
По-настоящему первым из тех, кто открыл для мира солнечные батареи, стал нью-йоркский изобретатель Чарльз Фритц. Его «настольная» электростанция работала от крохотной позолоченной селеновой пластики, и обладала КПД 1,5%.
- 1887: Объяснение природы фотоэлектрического эффекта
Далее над удивительным свойством фотонов передавать свою энергию электронам работали многие известные физики. Генриху Герцу даже удалось обнаружить, что максимальной генерации можно добиться не от видимого, а от ультрафиолетового излучения. Но только великий Альберт Эйнштейн сумел объяснить саму природу фотоэлектрического эффекта. За что позднее был справедливо удостоен Нобелевской премии.
- 1953: Открытие полупроводниковых возможностей кремния
Более полувека после работ Эйнштейна ученым и изобретателям не удавалось повысить эффективность экспериментальных гелио установок. Причиной тому были полупроводниковые ограничения селена и необходимость использовать в элементах золото. Только в 1953 коллективу лаборатории Белла удалось найти другой, более дешевый, практичный и широко распространенный материал. Этим материалом стал кремний, и первая же система на его основе показала КПД 6%.
- 1956: Старт коммерческого изготовления панелей
Первыми, кто создал солнечные панели современного образца и вывел их на коммерческий рынок, стала компания Western Electric. Несмотря на все еще высокую стоимость оборудования, покупатели находились. Наиболее известная приобретенная солнечная электростанция тех времен – набор гелио панелей, установленных на крыше Белого дома по указанию президента Кеннеди.
- 1958: Фотоэлектрические элементы в космосе
Отдельную благодарность следует вынести тем, кто придумал и построил солнечные батареи для космических аппаратов. Никаким другим путем стабильно получать электроэнергию для оборудования за пределами земли на тот момент было невозможно. И сейчас не существует ни одного стационарного спутника, космической станции или корабля, которые не использовали бы фотоэлектрические преобразователи.
- 1971 — 1979: Создание экономически выгодных панелей
Следующий толчок работе над созданием более эффективных гелио панелей принесло резкое повышение цен на нефть в 70-х годах прошлого века. Удивительно, но «спасибо» за финансирование таких разработок следует сказать крупнейшей нефтяной компании мира Exxon Corporation. Именно она оказалась той, кто открыл солнечные батареи нового поколения для потребителей, за счет падения цен за ватт мощности до $30. Вдесятеро дешевле, чем обошлась фотовольтаика для Белого дома всего десятилетием ранее.
- 1981: Кто создатель первой солнечной электростанции башенного типа?
Следующее десятилетие стало временем появления крупных гелио станций башенного типа. Термодинамическая электростанция Solar Two в пустыне Мохава (США) начала работу в 1981, постепенно увеличивая количество зеркал до 1999 года.
Годом позже тем же концерном Arco Solar был построен калифорнийский солнечный парк, способный генерировать более 1 МВт энергии в час.
В 1983 компания запустила гигантскую ферму из сотни тысяч солнечных батарей общей мощностью 5,2 МВт.
- 1994: Первые солнечные батареи с КПД 30%
Американская Национальная лаборатория возобновляемой энергии стала той, кто впервые придумал солнечные батареи на редкоземельных элементах вместо кремния. Сейчас они известны как CIGS, или комбинация фосфидов и арсенидов германия, индия и галлия. КПД первых же образцов составил 30%. Современные экспериментальные ячейки приближаются к показателю 45%.
- 1995: Кто и когда изобрел интегрированные солнечные панели?
Имя этого человека – Томас Фалуджи. Патент на гелио батареи, интегрированные в специальные выдвигающиеся навесы, был подан в 1995. Сегодня интеграцией фотовольтаики в любые конструкции и предметы никого не удивишь. Она присутствует в черепице для домов Илона Маска, автомобильных трейлерах, китайских копеечных фонарях и даже одежде.
- 2015: Фотоэлектрические пленки, напечатанные на принтере
Первые промышленные образцы были представлены в 2015 году. И сегодня все, кто создает солнечные батареи ближайшего будущего, ориентируются на тонкопленочные технологии. Панели третьего поколения не толще бумаги, печатаются на 3D-принтерах и уже сейчас достигают эффективности более 20%. Они дешевы, экологически безопасны, универсальны, могут быстро изготавливаться целыми рулонами, и со временем могут полностью заменить тяжелые и дорогостоящие кремниевые модули.
Источник
Ручное солнце
Как изобретали солнечную батарею и к чему это привело
Сто лет назад американский физик Роберт Эндрюс Милликен опытным путём подтвердил эйнштейновское уравнение, описывающее явление фотоэффекта, на основе которого работают панели современных солнечных электростанций.
В 1905 году, который вошёл в историю физики как «Год чудес» из-за большого количества революционных открытий, Альберт Эйнштейн, опираясь на гипотезу Планка о квантовой природе света, описал явление фотоэффекта специальным уравнением. За эту работу в 1921 году он получил свою первую Нобелевскую премию.
Роль американца Роберта Милликена в этом открытии чисто практическая – он экспериментально подтвердил изыскания Эйнштейна и на основании его работ вычислил постоянную Планка – ключевое понятие квантовой физики. Казус в том, что Милликен сначала не хотел признавать результатов собственных экспериментов, считая корпускулярную теорию света Эйнштейна радикальной. Уже закончив опыты, Милликен писал в 1916 году: «Уравнение фотоэффекта Эйнштейна…, по моему мнению, не может рассматриваться как имеющее хоть какое-то удовлетворительное теоретическое обоснование», – даже если «оно действительно очень точно описывает процесс» фотоэффекта. В 1923 году Милликен был удостоен Нобелевской премии в области физики «за работы по определению элементарного электрического заряда и фотоэлектрического эффекта».
Кто ещё «гнался за солнцем»
Разумеется, было бы ошибочным приписывать лавры «отцов» солнечной энергетики только Эйнштейну и Милликену. Историки науки утверждают, что первым обратил внимание на связь света и электричества французский физик А. Э. Беккерель. В 1839 году, проводя опыты, он открыл так называемый фотовольтаический (фотогальванический) эффект, при котором в веществе под воздействием света возникает напряжение, или электрический ток.
А вот мнения о том, кто создал первый фотоэлектрический элемент, расходятся. По одной из версий, 1883 год можно считать годом начала практической солнечной энергетики. Именно тогда американский инженер Ч. Фриттс создал прототип солнечной батареи. Его элемент был изготовлен из покрытого золотом селена и имел КПД 1%. То есть из 100% солнечного света в электрическую энергию превращался только один. И всё равно Фриттс считал свою «батарейку» революционной, что недалеко от истины.
Изучал фотоэлектрические процессы и русский физик Александр Столетов. Он установил эмпирическую связь между величиной фототока и световым потоком, падающим на образец (так называемый 1-й закон фотоэффекта). В 1888 году Столетов начинает исследование фотоэффекта, открытого за год до этого Генрихом Герцем. Эти исследования, продолжавшиеся два года, принесли учёному мировую известность. В рукописях Столетова сохранилась схема установки – также прообраза солнечного элемента, на которой он проводил свои эксперименты. Основная часть установки – конденсатор, состоящий из металлической сетки – анода и плоского металлического диска – катода. При освещении катода светом вольтовой дуги гальванометр фиксировал наличие тока в цепи.
Большой вклад в создание прототипов солнечных батарей сделал итальянский учёный армянского происхождения Джакомо Чамичан. В 1912 году на 8-м Международном конгрессе по прикладной химии, представляя проект своей солнечной батареи, он так описывал энергетическое будущее человечества: «На засушливых землях будут возникать промышленные колонии без дымящихся труб; леса стеклянных трубок будут распространяться на равнинах, и стеклянные здания будут расти везде; внутри них будут проходить фотохимические процессы, которые до настоящего времени были неведомой тайной растений, но всё это будет освоено человеческой цивилизацией, которая будет знать, как получить ещё более обильные плоды… И если в недалёком будущем запасы угля будут полностью исчерпаны, цивилизация не пропадёт, а будет существовать до тех пор, пока светит солнце!»
В Советском Союзе опытные сернисто-таллиевые фотоэлементы были созданы под руководством академика Абрама Иоффе в 1930-х годах. Однако первые «настоящие» солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников появились лишь в 1954-м. Их изготовили специалисты компании Bell Laboratories Кельвин Фуллер, Дэрил Чапин и Геральд Пирсон. КПД батарей равнялся 4%. 17 марта 1958 года был запущен американский спутник Vanguard 1, на котором были установлены такие батареи. А 15 мая 1958 года в космос отправился советский Спутник-3 также с кремниевыми солнечными батареями на борту.
Ещё одной крупной вехой в истории освоения солнечной энергии можно считать запуск первой коммерческой СЭС Lugo в США в 1982 году. Её мощность составила… 1 МВт.
Проблемы и перспективы «приручения» звезды
Прошли десятилетия, но низкая производительность фотоэлементов по-прежнему остаётся головной болью энергетики, основанной на преобразовании энергии света в электричество. То есть, имея неограниченный ресурс в виде Солнца, мы пока не можем создать эффективные солнечные батареи, которые бы «похоронили» прочие виды генерации. КПД серийно выпускаемых сегодня солнечных панелей лежит в пределах 15–20%, хотя, по расчётам, с одного квадратного метра площади можно получать мощность до 130 Вт.
Ещё одна проблема солнечной генерации, основанной на полупроводниковых панелях, заключается в том, что выработка энергии возможна только в светлое время суток. А ведь потребность в дополнительном электричестве для освещения возникает как раз вечером. Выход заключается в создании эффективных промышленных аккумуляторов, которые могли бы отдавать электроэнергию, выработанную СЭС, когда генерация не осуществляется. Но пока таких накопителей нет.
Вызывает вопросы и «экологичность» СЭС. Во-первых, тысячи тонн отслуживших свой срок панелей, содержащих вредные вещества типа кадмия, нужно как-то утилизировать. Во-вторых, СЭС большой площади из-за сильного нагрева атмосферы над ними способны изменять микроклимат региона, в котором они установлены, и не всегда в лучшую сторону.
Тем не менее объём солнечной генерации за рубежом сегодня составляет уже более 220 ГВт. Лидируют в этой области Германия, США, Индия и Китай. Немецкие солнечные станции обеспечивают страну пятой частью электроэнергии, в России же их доля в электрогенерации меньше 1%. Установленная мощность солнечных электростанций, построенных В России за последние два года составляет порядка 70 МВт (станции расположены в Оренбургской области, Республиках Алтай, Башкортостан, Дагестан и Хакасия). Кроме этого пять парков солнечной генерации есть в Крыму — общей мощностью 220 МВт, и одна небольшая СЭС в Якутии — 1 МВт. Однако согласно государственной программе развития СЭ, до 2020 года в России должны быть построены солнечные электростанции суммарной мощностью 1,5 ГВт. Этой задаче, в частности, способствуют два постановления, подписанных недавно Дмитрием Медведевым. Первое устанавливает порядок и условия предоставления из федерального бюджета субсидий для компенсации стоимости технологического присоединения малых генерирующих объектов ВИЭ с установленной генерирующей мощностью не более 25 МВт. Второе – призвано стимулировать производство оборудования для СЭ, конкретно – передовых технологий, основанных на физическом явлении HIT-гетероперехода, позволяющем совмещать кристаллическую и тонкоплёночную технологии производства полупроводников для батарей.
Источник
Кто обуздал энергию солнца и придумал солнечные батареи
Отцом солнечных батарей является Александр Эдмонд Беккерель. Именно он открыл базовый принцип – фотогальванический эффект. Этот термин означает трансформацию энергии Солнца в электричество. Но стоит помнить и о величайшем физике Архимеде, которого можно назвать прапрадедушкой открытия.
Кому мир обязан полезным изобретением
Архимед первым по-настоящему осознал и научился использовать энергию солнца. С помощью системы зеркал он сжег целую флотилию вражеских кораблей, которые осаждали его город Сиракузы.
Французский ученый А. Э. Беккерель в 1839 г. открыл фотоэффект, благодаря экспериментам с электродами и электролитом.
В 1873 Уиллоуби Смит обнаружил чувствительность селена к свету. И открыл фотоэлектрический эффект с КПД 1%. Это значило, что лишь один процент солнечного света был преобразован в электричество.
Свой вклад внес и великий ученый Альберт Эйнштейн. За теорию фотоэффекта он был награжден Нобелевской премией в 1921 году.
Следующим этапом прогресса стало открытие ученых из Америки в 1954 г. Три компании Bell Laboratories Дэрил Чапин, Г.Пирсон и К.С.Фуллер заявили о создании первой солнечной батареи на основе кремния. Они добились КПД 4%, а немного позже довели до 6%.
Эволюция солнечных батарей
Как раз в то время велись активные космические исследования. И всего спустя 4 года солнечные панели впервые начали использовать в космических спутниках. 17 марта 1958 в США был запущен первый спутник на базе солнечных аккумуляторов «Авангард-1», а немного позже 15 мая в СССР – «Спутник-3».
Приборы продолжали совершенствовать. В 70-х удалось добиться КПД в 10%. Но они все еще не годились для использования на Земле из-за сложностей в производстве и дороговизны (цена 1 кг кремния была около $100).
Мир уже осознавал огромный потенциал солнечных АКБ и активные исследования продолжались. Так, в 1985 году КПД кремниевой батареи стал 20-22%.
Стабильное и успешное массовое производство солнечных аккумуляторов удалось наладить только в конце 80-х. И спустя около 10 лет группа ученых из США добилась существенного увеличения эффективности батарей. Был создан особый тип, который характеризовался простотой в производстве, небольшой себестоимостью материалов и экономностью.
Именно в 1989 году мир увидел солнечную батарею на тандемных фотоэлектрических преобразователях, КПД которых было более 30%.
Первая в своем роде масштабная промышленная электростанция была возведена в 1985 г. при СССР в Крыму. Это была, СЭС-5 с пиковой мощностью 5МВт. Для понимания, 5 МВт мощности имел первый ядерный реактор. К сожалению, из-за высокой цены вырабатываемого электричества в середине 90-х ее закрыли.
Конец 1989 года ознаменовался в США открытием 80 МВт солнечной станции от Loose Industries. И в течении следующих 5 лет эта же компания запустила еще несколько подобных СЭС суммарной мощностью на 480 МВт.
Масштабные правительственные программы
- 1990 год – Германия запускает программу «1000 Солнечных крыш».
- 1994 год – Япония активно внедряет кампанию «70000 Солнечных крыш».
- Компания Spectrolab в 2009 году демонстрирует фотоэлемент со способностью преобразовывать энергию Солнца в электричество на 41,6%.
- В 2011 году компания из Калифорнии Solar Junction сумела достичь КПД 43,5%.
- Корпорация Sharp в 2013 году создает фотоэлемент, состоящий из 3-х слоев, на сложной химической базе с 44,4% КПД. А в 2014 Институте им. Фраунгофера создали солнечные батареи с КПД 46%.
- В 2014 году введена в эксплуатацию самая большая на Земле электрическая станция от Солнца – Ivanpah Solar Electric Generating System. Ее площадь 14,24 кв. км, а мощность – 392 МВт. Этого хватит что бы обеспечить больше 140.000 объектов в Калифорнии.
Интересно, что одним из трех совладельцев этой электростанции является компания Google.
Применение в быту и науке
Солнечные батареи используют:
- В электронике. Мобильные телефоны, плееры, фонарики, зарядные устройства PowerBank, калькуляторы, ноутбуки.
- Машиностроение. Электромобили со встроенными аккумуляторами от Солнца на крышах.
- Авиация. Одна из разработок, проект из Швейцарии по созданию самолета, работающего исключительно на энергии солнца – Solar Impulse.
- Обеспечение зданий. В этом случае панели устанавливаются на крышах заводов или жилых домов. Преимущественно в Южной части США, Саудовской Аравии, Израиле, Испании, Индии и прочих.
- В медицине. Ученные из Южной Кореи изобрели подкожную батарею. Супермаленькую батарею могут вживлять под кожу для постоянной работы разных приборов в теле человека. Эта батарея в 15 тоньше волоса человека и площадью около 0,07 кв. см.
Человечество постепенно переходит на использование экологически чистой энергии. И сегодня уже есть проекты в разработке по строительству электростанций, работающих от Солнца, за пределами земной атмосферы.
Источник