Як працюють сонячні панелі (батареї)
Увага: Через позицію правовласника щодо вмісту дане відео українською було видалене з Ютуб каналу "Цікава наука". Ви зможете знайти його на Толоці.
Земля отримує від Сонця енергію з величезною потужністю: 173 тисячі тераватів.
А це в десять тисяч разів більше, ніж використовує населення нашої планети.
Тож, чи можливо, що одного дня світ повністю перейде на сонячну енергію?
Щоб відповісти на це запитання, потрібно дізнатись, як сонячні панелі перетворюють сонячну енергію на електричну.
Сонячні панелі зроблені з більш дрібних частин — фотоелементів або сонячних комірок.
Більшість фотоелементів виготовляються з кремнію — напівпровідника, який є другим за поширеністю елементом на Землі.
У фотоелементі кристалічний кремній розміщений між двома провідними шарами.
Кожен атом кремнію зв'язаний зі своїми сусідами чотирма сильними зв'язками, які утримують електрони на місці, тому струм текти не може.
І ось розгадка: кремнієвий сонячний елемент використовує два різних шари кремнію.
Кремній n-типу (ен-типу) містить додаткові електрони, а кремній p-типу (пЕ-типу) має додаткові місця для електронів, звані дірками.
Коли два типи кремнію дотикаються, електрони можуть переміщуватися через p-n-перехід (пе-ен-перехід), залишаючи додатний заряд по один бік від переходу, і створюючи від'ємний — по інший бік.
Ви можете уявити світло як потік дрібних частинок — фотонів, які вилітають із Сонця.
Коли один із цих фотонів влучає в кремнієву комірку із достатньою енергією, то він може вибити електрон зі зв'язку, залишивши дірку.
Від'ємно заряджений електрон та додатно заряджені дірки тепер можуть вільно переміщуватися.
Але через електричне поле у p-n-переході вони рухатимуться лише в один бік.
Електрони переходитимуть в область n-типу, тоді як дірки — в область p-типу.
Рухливі (або мобільні) електрони забираються тонкими металевими провідниками у верхній частині комірки.
Звідти вони течуть через зовнішнє коло, виконуючи роботу, примушуючи лампу світитися, а потім через провідний алюмінієвий лист повертаються назад.
Кожен кремнієвий фотоелемент видає лише піввольта, але ви можете з'єднати їх разом у модулі, щоб отримати більше потужності.
Дванадцяти фотоелементів буде достатньо, щоб зарядити мобільний телефон, тоді як потрібно набагато більше модулів для живлення будинку.
Електрони — це єдині рухомі частинки в сонячному елементі, і всі вони повертаються туди, звідки вийшли.
Тут немає нічого, що могло б зношуватися, чи витрачатися, тому сонячні комірки можуть працювати десятиліттями.
То що ж заважає нам повністю покластися на сонячну енергію?
Тут відіграють роль політичні чинники, не кажучи вже про бізнес, який лобіює збереження статус-кво.
Та зосередьмося на фізичних та логістичних проблемах: найочевиднішою з них є та, що сонячна енергія розподілена по всій планеті нерівномірно.
Одні регіони більш сонячні, аніж інші.
І до того ж це непостійно.
Менше сонячної енергії доступно в хмарні дні чи вночі.
Таким чином, повна залежність від такого виду енергії вимагатиме ефективних способів передачі енергії від сонячних місць до хмарних, а також зручного зберігання енергії.
Ефективність самого фотоелемента теж є проблемою.
Якщо сонячне світло відбивається, а не поглинається, або ж вибиті фотонами електрони рекомбінують з дірками до протікання через коло, то енергія цих фотонів втрачається.
Найефективніші на сьогодні фотоелементи перетворюють лише 46% доступної сонячної енергії на електричну.
Найпоширеніші ж комерційні системи наразі мають ефективність 15-20% (відсотків).
Незважаючи на ці обмеження, забезпечити увесь світ сонячною енергією цілком можливо і з сьогоднішніми технологіями.
Нам потрібне фінансування для створення інфраструктури та чимало простору.
За різними підрахунками — від десятків до сотень тисяч квадратних кілометрів.
І хоч здається, що це дуже багато, але одна лиш пустеля Сахара займає понад 9 мільйонів квадратних кілометрів.
Водночас сонячні панелі стають кращими, дешевшими та вже конкурують із мережевою електроенергією.
Інновації, такі як плавучі сонячні ферми, можуть змінити ландшафт повністю.
Полишимо уявні експерименти.
Фактом є те, що понад мільярд людей не мають доступу до надійної електричної мережі, особливо в країнах, що розвиваються, багато з яких є сонячними.
Тож у таких місцях сонячна енергія вже набагато дешевша та безпечніша, ніж доступні альтернативи, такі як гас.
Хоча, скажімо, для Фінляндії чи Сіетла, ефективна сонячна енергетика поки що не є близькою перспективою.
