Файл: Отчет по контрольной работе по дисциплине Нетрадиционные и возобновляемые источники электроэнергии.docx

В 1948 году была разработана первая концепция полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей на диодах Шоттки. В 1950 году Уильям Брэдфорд Шокли разработал теоретическую модель p-n перехода, создав тем самым базу для разработки современных солнечных батарей. За эту работу в 1956 году Уильяму Шокли была присуждена Нобелевская премия по физике.


Уильям Шокли (1910 – 1989)

В те годы лаборатория Белла в Нью Джерси была одним из самых лучших научно-исследовательских центров в мире. В 1953 году ученые этой лаборатории Дэрил Чапин, Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон изготовили первые в мире кристаллические кремниевые солнечные элементы. Каждый из этих элементов имел площадь активной поверхности около двух квадратных сантиметров.

Эффективность самых первых фотоэлементов была всего 4%. Вдохновленные полученными результатами ученые продолжали работу над своим творением, и уже вскоре были получены элементы с эффективностью 6%.


Кэлвин Фуллер (1902 – 1994), Джеральд Пирсон (1905 – 1987), Дэрил Чапин (1906 – 1995)

25 апреля 1954 года газета «Нью-Йорк Таймс» на первой полосе поместила материал о сенсационном достижении ученых. Через некоторое время была достигнута эффективность 11%, и в 1955 году эти элементы были применены в качестве источника питания для телефонных усилителей. Совершенствовалась технология изготовления фотоэлементов, и вот уже в 1958 году в США, а через два месяца в СССР на орбиту вокруг Земли выводятся спутники, аппаратура которых частично питается от солнечных батарей.

Солнечная энергетика с тех пор сделала не один, а много качественных скачков. Сейчас очень трудно найти такую отрасль, где не используются солнечные батареи. От космических станций и мощнейших, в сотни мегаватт электростанций до наручных часов и детских игрушек. Освещение улиц, электроснабжение домов, сельскохозяйственных ферм, электромобили, велосипеды, яхты, самолеты на солнечных батареях – это уже не фантастика, а наша действительность.

Солнечные батареи кажутся одним из самых интересных изобретений XIX века, значительно опередивших свое время. В них сочетается простейшая, бионическая по сути идея (будем ловить солнечную энергию напрямую, как это делается в солнечных листьях) и монструозная материально-техническая составляющая, пока во многом девальвирующая эту идею. Солнечные батареи оказались громоздким, недолговечным и уязвимым источником энергии. А с учетом мер по их переработке и захоронению они, к тому же, и не слишком экологичны. Но, в конце концов, солнечные батареи отлично прижились как на «Мире», так и на МКС – поскольку лучше всего подходят для работы в космосе. Ведь там нет ни облачности, ни пыли, ни снега, а главное – нет иных источников энергии, зато круглый год светит солнце, и лучи его не рассеиваются в атмосфере за неимением таковой. Но на поверхности Земли технология солнечных батарей по-прежнему страдает от множества «детских болезней».

---

Интересное направление НИОКР, значительно повышающее эффективность солнечных батарей – дальнейшее обогащение их подлинно растительными чертами. Правильная солнечная батарея должна быть гелиотропом – то есть, поворачиваться в течение суток, следуя за солнцем. Также она должна сворачиваться в плохую погоду, как цветок. Именно о таких разработках пойдет речь под катом.   

Исторический контекст

В течение XIX века вместе со множеством исследований в области электричества развивалась и фотохимия. В 1839 году Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект, показав, что свет может напрямую превращаться в электричество. Разумеется, эффективность такого преобразования зависит от улавливающего материала. Первый рабочий образец солнечной батареи был создан в 1883 году американским инженером Чарльзом Фриттсом, изготовившим из селена первую миниатюрную солнечную панель. При этом он опирался на случайное открытие другого американского ученого, Уиллоби Смита, в 1873 году участвовавшего в прокладке трансатлантического телеграфного кабеля и обнаружившего, что электропроводность селеновых стержней возрастает, если на них падает свет. КПД селеновой батареи Фриттса составлял 1%.

Тем не менее, такие устройства оставались лабораторными изысками вплоть до 1912 года, когда ими занялся итальянский химик армянского происхождения Джакомо Луиджи Чамичан. Тогда, выступая на 8-м Международном химическом конгрессе, он заявил:

«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!»

Таким образом, еще до первой мировой войны осознавалась важность солнца в качестве источника энергии, но широкое использование солнечных батарей оставалось невозможным до решения, как минимум, двух фундаментальных проблем:

Повышения фотохимической эффективности фотоэлемента.

Коррекции отражательных показателей батареи, так, чтобы она поглощала достаточное количество света, но при этом не перегревалась.

---

Кратко остановлюсь на том, из чего состоит современная солнечная батарея.

Солнечная батарея является многослойной конструкцией, состоящей (сверху вниз) из следующих элементов: 1) Рама 2) Закаленное стекло 3) Шинопроводы (электропроводящие полоски) 4) Фотоэлемент на основе кремния. Как правило, изготавливается из кварца 5) Алюминиевая подложка 6) Распределительная коробка

Итак, в 1948 году инженеры «Bell Laboratories» Кельвин Соулзер Фуллер, Дэрил Чейпин и Джеральд Пирсон продемонстрировали первую коммерчески выгодную модель солнечной батареи с КПД 6%. Уже в 1958 году солнечными батареями были оснащены первые космические аппараты – американский «Авангард-1» и советский «Спутник-3». К началу XXI века (в 2007 году) компания General Electric добилась от солнечных батарей КПД 16% и более, но фундаментальные проблемы до сих пор не позволяют этим устройствам полноценно заменить ТЭЦ и прочие генераторы электричества, работающие на ископаемом топливе. В жарких засушливых областях, которые мечтал застелить солнечными батареями Чамичан, просто живет не так много людей и не развернуто серьезной промышленности, которую можно было бы питать солнечной энергией. А в густонаселенных областях умеренного пояса не хватает свободных площадей под солнечные батареи. Кроме того, чтобы сравниться с растениями в эффективности сбора солнечной энергии, необходимо реализовать искусственный фотосинтез или его аналог, возможно – приблизить фотоэлементы по свойствам к искусственным хлоропластам, которые улавливали бы свет в максимально широком спектре.

Оптимизация солнечной энергетики

О недостатках солнечных панелей сказано немало, в частности, на Хабре и в отраслевых источниках. Они связаны преимущественно с 1) присутствием токсичных веществ в составе панелей 2) сложностью переработки панелей – в особенности по сравнению с тем, чтобы просто отвезти их на свалку, 3) крайней неравномерностью инсоляции – в некоторых регионах панели будут простаивать из-за облачности, а в других – перегреваться и требовать дополнительного отвода тепла. Тем не менее, как указал уважаемый @leventov в комментарии к вышеупомянутой хабростатье, все это – вызовы, требующие решения, но не отменяющие перспектив солнечной энергетики как отрасли. Действительно, солнечные электростанции, развернутые в регионах с жаркой и безоблачной погодой, могли бы обеспечивать энергией потребителей из умеренных широт. Великобритания готова инвестировать в солнечные электростанции в Марокко, проложив из Африки на свою территорию кабели длиной более 2500 км, чтобы к 2030 году примерно на 8% покрыть маррокансккой солнечной энергией собственные потребности в электричестве. Что касается охлаждения солнечных батарей, было бы удобно обеспечивать охлаждение за счет морской воды, и для этого развертывать солнечные фермы на искусственных островах, статью о которых я уже публиковал на Хабре. Кроме упомянутого в той статье «энергетического острова», возводимого Данией в Северном море, существует аналогичный голландский проект: остров близ Амстердама на 73500 солнечных панелей, который позволит обеспечить энергией около 8500 домохозяйств. Отличие этого острова от более ранних проектов – в использовании солнечного трекера.  

---

Солнечные трекеры

Несмотря на прогнозы Чамичана, до сих пор не реализованы региональные мегапроекты с полями солнечных батарей в жарких незаселенных пустынях. Препятствий на пути у таких проектов немало — они связаны как с затруднениями при доставке выработанного электричества к потребителю, так и с техническим обслуживанием панелей, и даже с тем, что для их эксплуатации нужна сильная освещенность, но не слишком сильная жара. Подробнее о том, почему Сахара пока не застелена солнечными панелями, рассказано в следующем видео (на английском языке):

Поэтому пока мы наблюдаем не горизонтальное масштабирование солнечных панелей, а распределение их по домохозяйствам. Как правило, полотно обычной солнечной панели устанавливается на (скатной) крыше и запитывает дом по следующему принципу:



В этой схеме обратим внимание на то, что батарея обеспечивает дом как постоянным, так и переменным током, а также дает энергию в аккумулятор. Таким образом, в интересах владельца батареи, чтобы она накапливала энергию на протяжении всего светлого времени суток. Поэтому желательно делать панель подвижной, чтобы ее положение относительно солнца можно было менять. Именно для этого и применяются солнечные трекеры.

Можно исходить из того, что солнце движется относительно конкретной точки земной поверхности строго с востока на запад, и чем ближе к экватору – тем точнее это допущение. Но в относительно высоких широтах солнце может визуально располагаться в северном или южном полушарии неба. Следовательно, положение солнца можно отслеживать по двум осям: в направлении зенит-надир (по долготе) или по азимуту (по широте). Вот как это выглядит:



По состоянию на 2018 год в США солнечными трекерами было оснащено 70% всех новых солнечных батарей. Ценность таких устройств стала расти с удешевлением солнечных панелей. Следовательно, частный владелец может позволить себе такое солнечное полотно, от положения которого принципиально зависит объем вырабатываемой энергии.

Все существующие солнечные трекеры можно разделить на две обширные категории: одноосные и двухосные. В то время, как некоторые одноосные трекеры ориентированы только по угловой высоте солнца, другие могут отслеживать только движение солнца с востока на запад. Двухосные трекеры, в свою очередь, отслеживают солнце в обоих этих направлениях сразу.

---

Следовательно, двухосный трекер может значительно улучшить энергетический выход от панели, поскольку она будет практически всегда расположена перпендикулярно к падающим на нее лучам. Такие трекеры могут работать на основе фоторезистора, на основе отслеживания тени, на основе алгоритмов, либо с участием человека, который корректирует положение панели вручную. Вот как это делается с солнечной панелью российской компании «Русветер»:

В принципе, солнечный трекер для домашней солнечной панели является несложным электронным устройством, который можно самостоятельно собрать из Arduino. Здесь описана полноценная модель солнечного трекера для настольной солнечной панели:



Вот ее принципиальная схема, в которую входят:

Солнечная панель

Микроконтроллер ATmega328

Два фоторезистора (LDR)

Три потенциометра 10KΩ

Сервопривод

Чип 16MHz

Два фарфоровых конденсатора на 22 пФ

Кнопка «Пуск»

Макетная плата

Картон

Провода



Приведенные примеры подтверждают, что при распределенном подходе к установке солнечных батарей (по потребностям каждого домохозяйства) подвижность солнечных батарей и их работа по гелиотропному принципу (следование за солнцем в суточном и сезонном ритме) приобретают принципиальное значение. Рассмотрим несколько наиболее ярких архитектурно-технических находок, реализующих такую гелиотропию.   



Это вращающийся солнечный дом. Его построил для себя во Фрайбурге немецкий архитектор и экоактивист Рольф Диш. На снимке заметно, что на крыше дома установлены солнечные панели. Сам дом в течение года медленно вращается, подставляя панели солнцу, но и они сами по себе являются подвижными и могут автоматически менять угол, исходя из данных солнечного трекера.

Солнечные панели этого дома с расчетной мощностью 6,6 кВт каждая производят примерно в 5-6 раз больше энергии, чем требуется на обеспечение здания, поэтому дом даже позволяет запасать избыточную энергию. Батареи вращаются независимо от здания не только для оптимизации освещенности, но и для того, чтобы они могли противостоять сильному ветру.    

Более совершенным решением является австрийская разработка Smartflower.

---