Ми навчилися спалювати все що горить, перенаправляти річки, ловити вітри і навіть розщеплювати атоми і лише заради однієї мети – отримання енергії. І ми вигадали багато різних методів її добувати. За останні сто років людство збільшило споживання енергії вдесятеро. І це зростання не збирається зупинятися! Ми всі з вами чудово розуміємо, що енергії багато не буває. Але ж її треба звідкись брати. І проблема в тому, що тупо безкінечно спалювати вугілля чи газ не дуже корисно. Чи знаєте парниковий ефект. І це не порожні слова – середня температура на планеті зросла вже на 1 градус! Скажете, що це зовсім трохи? Але насправді ні!
Лише за літо 2022 року обсяг льодовиків в альпах скоротився майже на 7 відсотків! За одне літо! А середній крижаний покрив на північному полюсі скоротився взагалі на 50% лише за 50 років. Так от треба шукати щось менш шкідливе для нашої блакитної кульки. І тут варто поглянути нагору, адже там крутиться просто гігантський, майже вічний, термоядерний реактор, який просто як із відра поливає нашу землю нескінченною та безкоштовною енергією! Здавалося б, лишилося цю енергію тільки якось зібрати. І ось тут починаються складнощі. Сьогодні ми вам розповімо про те, як працюють сонячні панелі Івано-Франківськ і які перспективи взагалі у сонячної енергетики. Розберемо все, як ви любите!
Історія
А знаєте, скільки сонячної енергії потрапляє на Землю? Близько 174 ПетаВатт! Це у десять тисяч разів більше, ніж споживає вся планета зараз! Наприклад, у 2019 році на Землю приблизно за годину потрапило більше енергії, аніж ми споживали за весь рік! А в середньому на один квадратний метр землі падає до 7 кіловат години енергії на день.
Але як це все зібрати? Давайте, як завжди, почнемо трохи з історії.
Всі сонячні панелі працюють на фотоефект, тобто, якщо говорити просто, на ефекті, коли в речовині може генеруватися електричний струм під впливом світла.
Він уперше був зафіксований аж 1839 року французьким ученим Олександром Беккерелем. Однак тоді він не зміг його пояснити.
У результаті фотоефект був відкритий лише через кілька десятків років у Селені в 1873 інженером з англії на ім’я Вілогбі Сміт. І вже 1883 року була побудована перша в історії сонячна панель, американським винахідником Чарльзом Фрітцом! Звичайно ефективність у неї була, м’яко кажучи, так собі – панелі переводили в енергію лише 1% від сонячної енергії, що на них потрапляє.
Однак початок було покладено!
Далі досить довго жодних нововведень не було. Приблизно до 1940 року, коли американець Рассел Ол, який працював у Белл Лебс, випадково не зламав шматочок кремнію, і не виявив, що через нього тече струм.
Він випадково створив так званий PN-перехід. Ну або електронно-дірковий перехід інакше. Чи бачите, вся річ у тому, що Селен, як і кремній – напівпровідники. І саме це дозволяє нам спостерігати фотоефект у них!
Нагадаємо, що напівпровідники – це матеріали, у яких ширина забороненої зони не велика, але й не маленька. Тобто якщо до них додати певну енергію, то за рахунок збудження атомів, електрони переходять у зону провідності і вони можуть починати проводити електричний струм. Можна сказати, що електрони можна від атомів відривати. Адже світло, тобто фотони, переносять енергію і якщо ця енергія достатня, то вони можуть це робити!
Структура сонячної панелі
Давайте зараз подивимося на те, як вся панель влаштована! І це нас і приведе до тієї прекрасної фізики, яка стоїть за індустрією сонячної енергетики!
Самі панелі – це досить проста структура, схожа на сендвіч з декількох шарів. І над кожним із цих верств постійно йде робота щодо підвищення ефективності! Отже, давайте подивимося зверху донизу.
Перший шар – це просто захисне скло. Воно природно обов’язкове, інакше якийсь пісок чи пил все дуже швидко зіпсують. Далі йде антивідбивний шар! Це дуже важлива частина – оскільки вона підвищує ефективність самої панелі на пару відсотків. Завдання цих шарів затримати фотони світла в панелі по максимуму.
Для цього використовуються різні матеріали, але найпопулярніші зараз це Оксид Кремнію та Оксид Титану. Крім того, їх ще й спеціальним чином обробляють, щоб вийшла певна текстура.
Зрозуміло, що використання дорогих матеріалів або просто ускладнення конструкції – все це веде до того, що панелі, а отже, і енергія, яку вони виробляють, стають тупо дорожчими.
А ви ніколи не замислювалися, чому панелі виглядають як сітка? Вся справа в електричних контактах! Ці тонкі лінії – один і полюсів контактної сітки! І це один із головних болів інженерів, адже без контактів ніяк, а самі контакти не прозорі для світла!
Саме тому їх роблять тонкими лініями, щоб максимально залишити можливість світла проникати усередину.
Ну і звичайно, також електричний контакт протилежного знака є і на звороті панелі!
Ну а в центрі розташований цей PN перехід про який ми вже згадували!
Він і є ключем до того, як працюють сонячні панелі!
Давайте зараз розберемося з тим, як усе це працює і що за магія там бере участь.
Згадується старий жарт, що якщо не вчити фізику в школі, то все життя буде сповнене чудес і чарів!
Нам треба трохи поринути у теорію.
Теорія роботи
Для простоти говоритимемо про класичну планетарну модель атома!
Кремній сам по собі має чотири електрони на зовнішній оболонці. І цими електронами він пов’язується із сусідніми атомами Кремнію. Можна сказати, що ці електрони на зовнішній оболонці як руки, якими кремній тримається один за одного, створюючи таким чином кристалічну решітку.
Але в реальному світі чистий кремній використовується досить рідко. Вся справа в дуже поганій провідності чистого кремнію. У промисловості набагато частіше використовується, так званий легований кремній. Це кремній, куди при його виробництві вміщені спеціальні добавки. При чому ці добавки дуже малі, до чистого кремнію зазвичай додають всього 1 атом на кожні 100 мільйонів атомів кремнію! Хоча, звичайно, ступінь легування залежить від вимог до матеріалу.
І зазвичай додають два типи атомів – Фосфор або Бор. Чому саме їх?
Вся справа у їхній електронній структурі! Вони ідеально вбудовуються в кристалічні ґрати кремнію. Але з відзнакою – у фосфору на зовнішній оболонці 5 електронів, а у бору – 3. При цьому відбувається цікава ситуація. Наприклад, коли легують Фосфором, то в тому місці, де він знаходиться, з’являється один зайвий неспарений електрон, якому нікуди прилаштуватися.
Виходить, що якщо прикласти енергію, їх можна від’єднати від фосфору і вони можуть почати вільно переміщатися по матеріалу! Такі напівпровідники, з зайвими електронами, називають напівпровідниками N-типу. Від англійської Negative.
Те саме відбувається і з Бором, тільки навпаки. Виходить ситуація, коли залишається одне місце. І воно називається просто діркою. І такі напівпровідники називають P типу. Відповідно від англійської Positive.
І ось якщо два типи кремнію скласти разом, то на їхньому кордоні виходить цей PN перехід, або електронно-дірковий перехід. Насправді PN перехід відкрив нам дорогу до всіх сучасних процесорів, та й взагалі до всієї мікроелектроніки загалом! А ось далі відбувається краса фізики. У цьому PN переході зайві електрони з фосфору N-типу, за рахунок близькості до дірок, починають поєднуватися з дірками в P-типі! І ця освічена область називається зоною збіднення.
В результаті прикордонна область N-типу через те, що частина електронів від туди пішла, виявляється трохи заряджена позитивно, а P-тип відповідно негативно!
Давайте ще раз – за рахунок об’єднання електронів і дірок, P і N сторони виявляються трохи заряджені позитивно та негативно! А це і є необхідна нам різниця потенціалів! А якщо підключити це до електричного ланцюга, то просто з’являється електричний струм! За рахунок того, що вільні електрони з однієї області побіжать в іншу.
Але, звичайно, не можна робити електрику з нічого! Пам’ятайте я казав, що потрібна енергія щоб порушити електрони! І саме для цього нам потрібне світло. Адже фотони це частки світла, які летять із певною енергією. І вони стукають про наші атоми як кульки в боулінгу – передаючи їм частину енергії.
Цікаво, що ці енергії лежать якраз у тому проміжку, який долітає до Землі, а саме ближній ультрафіолет, видимий спектр і ближнє інфрачервоне світло! Коли ці фотони стикаються з атомами у нашому PN переході, і знову розвалюють нашу електронно-діркову пару.
Ну а далі може статися два сценарії: або електрони відразу знайдуть собі пару у вигляді дірки десь поряд, або ж, за рахунок різниці потенціалів у переході PN, підуть у підключений ланцюг.
Тобто вони все одно хочуть об’єднатися з дірками, але зроблять це вже в області з великою кількістю вільних дірок! І це інша сторона PN переходу, тобто P-сторона.
Я знаю, що все це звучить трохи заплутано, але давайте спробуємо підбити тут якийсь підсумок. Фотони світла можуть вибивати електрони із зовнішніх оболонок атомів. Ці вибиті електрони своєму місці утворюють дірку. Ці електрони та дірки хіба що мігрують до протилежних сторін П-Н переходу. А електрони, за рахунок різниці потенціалів, що утворилися, течуть через електричний ланцюг! Отак ми й навчилися збирати енергію сонця!
Стан справ
Але треба сказати, що ефективність сучасних панелей – це головний біль голови інженерів і вчених. Якщо ми говорили, що перше покоління панелей перетворювали лише 1% світла на енергію, то зараз це вже сягає приблизно 50%.
Насправді ж ефективність більшості сучасних панелей коливається в районі всього 20%. При цьому згодом ця ефективність ще падає на 2-3%.
При цьому вже сьогодні сонячна енергія чи не найдешевша серед усіх джерел енергії. Якщо в 1977 році вона коштувала нечувані 76 доларів за всього 1 ват, то вже зараз ціна всього близько 18 центів. Падіння у 400 разів!
Але це не рекорд. Найдешевший кіловат було отримано 2021 року в Саудівській Аравії. Усього 1 цент за кіловат!
І це лише початок масового переходу на поновлювані джерела. Сумарна потужність усіх встановлених панелей у світі більше одного теравату! А в Європейському союзі та Китаї, наприклад, сонячна енергія дає понад 6% усієї енергії! В загальному? зростання всієї галузі очевидне, як і перспективи. І інвестиції у цю галузь просто колосальні. А все тому, що сама технологія досить проста і дешева в реалізації!
Це не вугілля чи газ, які справді не роблять наше життя здоровішим, і не атомна енергетика, яка дуже складна та дорога!
Та ще й самі панелі, за сучасними розрахунками, можуть служити безперервно до 30 років! Хоча, звичайно, поверхню панелей треба іноді чистити від пилу.
Насправді такими темпами нам варто очікувати, що вже найближчими роками 15-20 розвинених країн зможуть повністю перейти на відновлювані джерела енергії.
Але звичайно тут багато хто задає справедливе питання – мовляв, це все звичайно звучить красиво і перспективно, але що робити вночі? Чи взимку? Або коли хмари? І звичайно, важливо не лише скільки енергії виробляється, а ще й можливість її безперебійного надходження споживачам!
І ось тут у гру вступають інші джерела енергії! Людство перебуває у постійному пошуку нових джерел енергії! Геотермальна енергія, вітер, сила припливів та відливів, хвилі!
Крім того, розглядається можливість створення енергомережі, яка б оперізувала всю планету! Тобто коли на якомусь боці землі темно – її живить зворотний бік, де день. Все це розробляється зараз.
Звичайно, вченими зараз досліджуються і нові типи матеріалів для панелей! Наприклад, панелі на основі так званих перовскітів вже показують ефективність близько 30%. При цьому, матеріали відносно спокійно підходять для масового виробництва.
Але є ще й інша важлива сфера досліджень, а саме можливість збереження великих запасів енергії!
Tesla має дуже цікавий варіант з батареями на стінках, які зберігають енергію вдень, а вночі – витрачаєш або навіть продаєш надлишки! Від них можна навіть замовити цілий дах для будинку, приїдуть майстри і повністю поміняють черепицю на спеціальні сонячні панелі. Та й гарантію дають аж у 25 років! Це вам не iPhone з гарантією на 1 рік.
При цьому Tesla використовує у своїх Power Wall старі батареї зі своїх автомобілів! Майже безвідходне виробництво.
Висновки
Ми намагаємося дивитися на світ і його розвиток у позитивному ключі і нам дуже подобається та різноманітність та та швидкість розвитку, яку ми набрали в плані відновлюваних джерел енергії!
Велика ймовірність, що вже незабаром сонячні панелі стануть настільки дешевими, що будь-який зможе собі просто дах дачного будинку застелити ними і жити практично повністю на самозабезпеченні! Адже вже зараз у сонячних країнах термін окупності установки таких панелей лише близько 5-7 років! Індустрія активно розвивається! Ну а ми стежитимемо за її розвитком. А закінчити хочеться актуальною філософською думкою, що після найтемнішої ночі завжди настає світанок!