Когато хората говорят за “слънчев”, те обикновено се отнасят до фотоволтаични панели, които вероятно сте виждали по покриви и др. Но замисляли ли сте се как те всъщност работят за генериране на чиста електроенергия? Тази статия разглежда какво е фотоволтаична клетка, от какво е направена, технологията зад нея, как работи и др.
Има няколко начина за използване на слънчевата енергия за генериране на електрическа енергия. Тази статия се фокусира върху най-популярния метод – фотоволтаичната технология.
Какво е фотоволтаик?
Терминът “фотоволтаик” идва от гръцката дума “phos”, означаваща “светлина” и от “волт”, единицата на електродвигателната сила, волта. Voltaic също е дума, която се отнася до електричеството, произведено от химическо действие в батерия.
Фотоволтаично определение: Що се отнася до това какво е фотоволтаици, това е директното превръщане на светлината в електричество в резултат на реакция, която се случва на атомно ниво. Чрез използване на материали, които показват фотоелектричния ефект, е възможно да се създадат фотоволтаични слънчеви клетки и да се разположат в голям мащаб, т.е. на покривите на жилищните жилища или в индустриалните ферми за слънчеви клетки, за да се генерира чиста, възобновяема електроенергия.
Фотоелектричният ефект и историята на фотоволтаиците
Фотоелектричният ефект е излъчването на електрони в материал, когато е изложен на светлина. Това е както физичен, така и химичен феномен с произход, датиращ от почти два века. Фотоволтаичният ефект (производството на напрежение и електрически ток в материал при излагане на светлина) е тясно свързан с, но различен от фотоелектричния ефект.
Фотоволтаичният ефект е открит за първи път от Едмънд Бекерел, френски физик, през 1839 г. Бекурел установява, че някои материали могат да произвеждат малки количества електрически ток, когато са били изложени на светлина.
След това през 1095 г. изследванията на Алберт Айнщайн, носител на Нобелова награда, описват естеството на светлината и фотоелектричния ефект, върху който се основава фотоволтаичната технология.
Едва през 1954 г. обаче първият фотоволтаичен модул е построен от Bell Laboratories като „слънчева батерия“. Това е така, защото е било твърде скъпо за модула, за да набере сцепление и да се използва в широко разпространени приложения.
След това през 60-те години космическата индустрия започва да използва първата сериозна фотоволтаична технология за осигуряване на енергия на космически кораби. Това е през този период, когато технологията наистина излетя и напредна. Тя стана по-надеждна, разходите започнаха да падат и тя започна да се използва във все повече и повече приложения, особено по време на енергийната криза от 70-те години, когато фотоволтаичната технология получи широко признание като източник на енергия.
Слънчеви фотоволтаици
Слънчевите фотоволтаици (често наричани „слънчеви клетки“ или „фотоволтаични панели“) е електрическа система, която преобразува слънчевата радиация от слънцето (т.е. светлинната енергия на Слънцето) в електричество с постоянен ток (DC). Типичната слънчева фотоволтаична система ще разполага със фотоволтаични панели, които абсорбират тази слънчева светлина и я превръщат в електричество, като по този начин осигуряват чиста възобновяема енергия, дори когато слънцето не свети ярко.
От началото на века слънчевата фотоволтаична енергия е призната за обещаваща възобновяема енергия, а разработки от всякакъв вид (научни, технологични, промишлени и логистични) са във възход, като производството се удвоява на всеки две години. Това го прави една от най-бързо развиващите се технологии за възобновяема енергия в света.
И с все повече и повече подкрепени от правителствата стимули, които се предават на собствениците на фотоволтаични системи (например данъчни облекчения, плащане за енергия, доставяна на мрежата, и тарифи за подаване), тази тенденция вероятно ще продължи.
Как работи фотоволтаичната технология
Накратко, слънчевите клетки са тънки вафли от кристален силиций, същият елемент, който се използва в почти всяко електронно устройство, което съществува днес. Докато тези вафли са били сравнително големи, когато са били разработени фотоволтаични слънчеви клетки, те сега са толкова малки, че едва ли са дебели колкото човешки косъм.
Когато тези фотоволтаични слънчеви клетки са изложени на светлинни фотони, те удрят отрицателно заредените електрони в силициевите атоми и удрят електроните и ги изхвърлят. Когато това се случи, оставя след себе си празна, положително заредена “дупка”, където е било отрицателното зареждане.
При необработен силиций електроните просто ще се рекомбинират с тези дупки, за да произвеждат отпадна топлина; няма да се генерира електричество. За да заобиколите това и да направите работеща слънчева клетка, кристалните силициеви вафли се третират (дозиращи) с два други елемента: бор и фосфор.
Когато борът и фосфорът се срещнат, те взаимодействат със силикалия, за да създадат електростатично поле точно под предната повърхност на клетката. Това поле остава в кристалната структура постоянно. Не, когато слънчевите фотони ударят кристала, отрицателните електрони и положителните „дупки“ се държат отделно от това електростатично поле. Това кара електроните да се вливат в предната част на клетката, докато дупките се стичат към гърба, създавайки ток.
Електроните, които се стичат към предната част на клетката, се събират от мрежовите линии, отпечатани върху повърхността й. Те се вливат в това, което е известно като “бумбани”, които са основно метални ленти, използвани за разпределение на електроенергията. След това токът се влива във верига, където потенциалът на напрежението му се отказва като електрическа енергия, докато електроните се връщат обратно в задния край на клетката, където се рекомбинират с празните положителни “дупки”, които са били оставени.
Докато има слънчева светлина, без значение колко слаба, фотоволтаичната слънчева клетка никога няма да “изтича” от електрони; те винаги ще бръмчат около веригата, завършвайки я отново и отново и отново.
Видове фотоволтаични технологии
Соларният фотоволтаичен панел е основният градивен елемент на фотоволтаична система. Докато всички тези системи са склонни да изглеждат много сходни, фотоволтаичната технология в основата на тези панели може да варира. Те включват:
- Монокристални силициеви фотоволтаични панели: Монокристалните панели се изработват чрез използване на клетки, взети от един цилиндричен кристал на силиций. Това в момента е най-ефективният тип зряла фотоволтаична технология (не броим фотоволтаичните технологии, които все още са в процес на изследване, като органична фотоволтаична енергия) и обикновено преобразува около 15% от слънчевата енергия в електричество. Въпреки това, производственият процес, необходим за производството на монокристални силициеви фотоволтаични клетки и панели е доста сложен, което води до малко по-висока цена.
- Поликристални силициеви фотоволтаични панели: Поликристалните силициеви фотоволтаични панели, известни също като многокристални клетки, са съставени от клетки, изрязани от слитък от разтопен и рекристализиран силиций. Тези блокове след това се нарязват на изключително тънки вафли и се вграждат в пълни клетки. Поликристалните клетки обикновено са по-евтини за производство от монокристалните клетки поради много по-простия производствен процес. Това обаче се дължи на цената на ефективността, която е около 12 %.
- Аморфен (“тънък филм”) силициеви фотоволтаични панели: Аморфните силициеви клетки се правят, когато силиция се отлага в тънък хомогенен слой върху субстрат. Тъй като този тип силиций абсорбира светлината по-ефективно от кристалния силиций, клетките могат да бъдат направени много по-тънки. Аморфният силиций може да се отлага както върху твърди, така и върху гъвкави субстрати, което го прави идеален за извити повърхности или за свързване директно върху покривни материали. Въпреки че абсорбира светлината по-ефективно, действителната ефективност на клетката е много по-ниска от кристалния силиций, обикновено седи на около шест процента. Въпреки това, аморфните фотоволтаични клетки са склонни да бъдат по-лесни и по-евтини за направа.
Приложения на фотоволтаичната технология
Днес енергията, генерирана от слънчеви фотоволтаични клетки, обслужва хората, живеещи в някои от най-изолираните места в света, както и тези, които живеят в големите градове, за да изпомпват вода, да поддържат лампите, да зареждат батерии, да снабдяват мрежата с електричество и др. Няма значение кой сте, къде се намирате или какво правите, PV технологията вече ще е докоснала живота ви по начини, които може би не знаете. Това са някои от най-важните приложения на фотоволтаичната технология:
- Самостоятелни приложения на захранването: В градските райони фотоволтаичната технология може да се използва за захранване на всичко – от самостоятелни устройства и инструменти до цели домове и общности, включително инфраструктури като светофари, радиопредаватели и водни помпи. За най-отдалечените и селските райони, удължаването на електропровода не винаги е удобно или рентабилно. В някои случаи това просто не е възможно. Тук PV технологията е решението.
- Захранване в космическото пространство: От самото начало високоефективната фотоволтаична технология е основният източник на енергия за космически приложения като Международната космическа станция, спътниците, които се градят на Земята, и повърхностните роувъри като тези на Марс и Луната.
- Транспорт: Фотоволтаичните технологии могат да се използват за осигуряване на спомагателна мощност за електрифицирани превозни средства като автомобили, лодки и дори самолети. Някои автомобили дори идват с фотоволтаични клетки, монтирани на покрива на захранването, така че превозното средство да бъде снабдено с източник на енергия, докато е в движение, т.е. чрез батерии за зареждане. Много точки за зареждане на електрически превозни средства също се захранват от слънчева енергия, изцяло или частично.
- Слънчеви ферми: Когато се внедряват в мащаб над няколко акра, фотоволтаичните панели могат да осигурят полезни по мащаби на мощността, произвеждайки количества добре в гигавата. Тези мащабни системи са склонни да използват фиксирани или слънчеви панели, които следват слънцето, докато се движат по небето, захранвайки захранването директно в общините и регионалните мрежи.
Предимства на фотоволтаичната технология
Особено по отношение на околната среда и наличността, фотоволтаичната технология предлага множество предимства:
Източник на чиста енергия
Най-голямото предимство на фотоволтаичните технологии е, че тя дава възможност за производство на чиста енергия, а в свят, измъчван от климатични проблеми и високи цели за въглеродна неутралност, това предимство е цар. За разлика от традиционните източници на енергия, слънчевите панели не отделят вредни парникови газове и други замърсители, когато създават електричество. Те също така не изчерпват природните ресурси. Това помага за опазването на околната среда и помага на природните ресурси на Земята да издържат по-дълго.
Тихо и ненатрапчиво
PV технологията и слънчевите клетки, които захранват, произвеждат нулев шум, докато генерират електричество. Това е ключово разграничение от други методи за производство на енергия, т.е. генератори на заден двор, които произвеждат много шум. Не само, че PV технологията е тиха, но и ненатрапчива. Тъй като фотоволтаичните технологии са станали по-напреднали, слънчевите панели са станали по-малки, гъвкави и по-дискретни.
Налични навсякъде
Няма място на Земята, където слънцето да не грее; слънчевата радиация е на разположение навсякъде. Така че, независимо от местоположението, слънчевата светлина може да се използва за генериране на електричество навсякъде по децентрализиран начин. И тъй като слънцето произвежда огромни количества енергия, има нулеви опасения за недостиг като тези, които съществуват с други енергийни източници като изкопаеми горива и вятър.
Недостатъци на фотоволтаичната технология
Въпреки убедителните предимства, има и някои недостатъци на фотоволтаичната технология, които трябва да се вземат предвид:
Може да бъде зависимо от местоположението
Терминът “местоположение, местоположение, местоположение” не се отнася само за къщи, но и за слънчевите панели. Наличието на слънчева радиация може да варира драстично в зависимост от това къде по света се намирате. Соларен панел в Шотландия, например, ще има много по-малко излагане на силна слънчева светлина, отколкото тези, базирани в Калифорния.
Слънчевата енергия е по-скъпа
Енергията, генерирана от слънчевите фотоволтаични панели, е малко по-скъпа от конвенционалните източници на енергия като изкопаемите горива. Това се дължи най-вече на разходите за производство на фотоволтаични клетки и ефективността на преобразуването в самите системи, които могат да варират в зависимост от използваната фотоволтаична технология. Тъй като ефективността на конверсията продължава да се увеличава и производствените разходи намаляват с по-нататъшни изследвания, PV технологията идва много по-конкурентна върху разходите в сравнение с конвенционалните енергийни източници.
Фотоволтаичната технология е на милостта на Слънцето
Всички възобновяеми енергийни източници – соларни, вятърни, приливни – са променливи, а производството на енергия е изцяло зависимо от метеорологичните условия. Това означава, че фотоволтаичните клетки може да имат дни, в които почти нищо не се произвежда, а това може да доведе до недостиг на енергия, ако твърде много от енергията на даден регион зависи от възобновяеми източници.
Бъдещето на фотоволтаичната технология
Въпреки предизвикателствата, пред които са изправени фотоволтаичните технологии, е ясно, че тя има потенциала да промени играта, когато става въпрос за постигане на нашите цели с нулеви въглеродни емисии. Според последните проучвания, ускореното внедряване на слънчева фотоволтаична фотоволтаична енергия може да доведе до 21 % от намаленията на емисиите на CO 2 (близо до 4,9 гигатона годишно) до 2050 г., а слънчевата фотоволтаична енергия може да отговори на една четвърт от световните нужди от електроенергия до 2050 г., превръщайки се във втория най-голям източник на производство след вятъра. Глобалният капацитет обаче трябва да достигне почти 20 пъти текущи нива (повече от 8000 гигавата), за да постигне това.