Istoria fotovoltaicului, cum au fost create primele panouri solare
Descoperiri, experimente și teorii
Istoria fotovoltaicii începe cu descoperirea efectului fotoelectric. Concluzia că curentul dintre electrozii metalici scufundați într-o soluție (lichid) variază în funcție de intensitatea iluminării a fost prezentată Academiei Franceze de Științe în ședința sa de luni, 29 iulie 1839, de Alexandre Edmond Becquerel, care a publicat ulterior un articol.
Tatăl său, Antoine César Becquerel, este uneori numit descoperitorul. Acest lucru se poate datora faptului că Edmond Becquerel avea doar 20 de ani la momentul publicării și încă lucra în laboratorul tatălui său.
Marele om de știință scoțian James Clerk Maxwell s-a numărat printre mulți oameni de știință europeni intrigați de comportamentul seleniului, care a fost adus pentru prima dată în atenția comunității științifice într-un articol al lui Willoughby Smith publicat în Jurnalul Societății de Ingineri Telegrafic în 1873.
Smith, inginer electricist șef al companiei Gutta Percha, a folosit tije de seleniu la sfârșitul anilor 1860 într-un dispozitiv pentru a detecta defecțiunile cablurilor transatlantice înainte de scufundare. În timp ce tijele de seleniu au funcționat bine noaptea, au funcționat îngrozitor când a ieșit soarele.
Bănuind că proprietățile speciale ale seleniului au ceva de-a face cu cantitatea de lumină care cădea pe el, Smith a așezat tijele într-o cutie cu capac glisant. Când sertarul era închis și luminile stinse, rezistența tijelor – gradul în care împiedică trecerea curentului electric prin ele – era maximă și rămânea constantă. Dar când capacul cutiei a fost îndepărtat, conductivitatea lor a „crescut imediat în funcție de intensitatea luminii”.
Printre cercetătorii care au studiat efectul luminii asupra seleniului după raportul lui Smith s-au numărat doi oameni de știință britanici, profesorul William Grylls Adams și studentul său Richard Evans Day.
La sfârșitul anilor 1870, au supus seleniul la multe experimente, iar într-unul dintre aceste experimente au aprins o lumânare lângă tijele de seleniu pe care le folosea Smith. Săgeata de pe contorul lor reacţionează imediat. Protejarea seleniului de lumină a făcut ca acul să scadă imediat la zero.
Aceste reacții rapide exclud posibilitatea ca căldura flăcării lumânării să producă un curent, din moment ce căldura este furnizată sau îndepărtată. în experimente termoelectrice, acul se ridică sau coboară întotdeauna încet. „Prin urmare”, au concluzionat cercetătorii, „era clar că curentul poate fi eliberat în seleniu doar sub acțiunea luminii”. Adams și Day au numit curentul produs de lumină „fotovoltaic”.
Spre deosebire de efectul fotoelectric observat de Becquerel, atunci când curentul dintr-o celulă electrică s-a modificat sub acțiunea luminii, în acest caz tensiunea electrică (și curentul) a fost generată fără acțiunea unui câmp electric extern doar sub acțiunea luminii.
Adams și Day au creat chiar și un model de sistem fotovoltaic concentrat, pe care l-au prezentat multor oameni de seamă din Anglia, dar nu l-au adus în practică.
Un alt creator celule fotovoltaice bazat pe seleniu a fost inventatorul american Charles Fritts în 1883.
El a întins un strat larg subțire de seleniu pe o placă de metal și l-a acoperit cu o peliculă subțire translucidă de foiță de aur. Acest modul de seleniu, a spus Fritz, a produs un curent „continuu, constant și de o rezistență considerabilă... nu numai în lumina soarelui, dar și în lumina zilei slabă, difuză și chiar lumina lămpii'.
Dar eficiența celulelor lui fotovoltaice a fost mai mică de 1%. Cu toate acestea, el credea că ar putea concura cu centralele electrice pe cărbune ale lui Edison.
Panourile solare cu seleniu aurit ale lui Charles Fritts pe un acoperiș al orașului New York în 1884.
Fritz ia trimis unul dintre panourile sale solare lui Werner von Siemens, a cărui reputație era egală cu cea a lui Edison.
Siemens a fost atât de impresionat de puterea electrică a panourilor atunci când aprinse, încât un celebru om de știință german a prezentat panoul Fritts Academiei Regale din Prusia. Siemens a spus lumii științifice că modulele americane „ne-au prezentat pentru prima dată conversia directă a energiei luminoase în energie electrică”.
Puțini oameni de știință au ascultat apelul Siemens. Descoperirea părea să contrazică tot ce credea știința la acea vreme.
Tijele de seleniu folosite de panourile „magice” ale lui Adams și Day și Frith nu s-au bazat pe metode cunoscute de fizică pentru a genera energie. Prin urmare, majoritatea le-a exclus din sfera cercetărilor științifice ulterioare.
Principiul fizic al fenomenului fotoelectric a fost descris teoretic de Albert Einstein în lucrarea sa din 1905 despre câmpul electromagnetic, pe care l-a aplicat câmpului electromagnetic, publicată de Max Karl Ernst Ludwig Planck la începutul secolului.
Explicația lui Einstein arată că energia unui electron eliberat depinde doar de frecvența radiației (energia fotonului) și de numărul de electroni din intensitatea radiației (numărul de fotoni). Pentru munca sa în dezvoltarea fizicii teoretice, în special pentru descoperirea legilor efectului fotoelectric, Einstein a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1921.
Noua descriere îndrăzneață a luminii a lui Einstein, combinată cu descoperirea electronului și impulsul ulterior de a-i studia comportamentul – toate având loc la începutul secolului al XIX-lea – a oferit fotoelectricității o bază științifică de care îi lipsea anterior și care ar putea explica acum fenomenul în termeni. de înțeles științei.
În materiale precum seleniul, fotonii mai puternici transportă suficientă energie pentru a scoate electronii legați de orbitele lor atomice. Când firele sunt atașate la tijele de seleniu, electronii eliberați curg prin ele sub formă de electricitate.
Experimentatorii din secolul al XIX-lea au numit procesul fotovoltaic, dar în anii 1920, oamenii de știință au numit fenomenul efect fotoelectric.
În cartea sa din 1919 despre celulele solareThomas Benson a lăudat munca pionierilor cu seleniul ca precursor al „generatorului solar inevitabil”.
Cu toate acestea, fără descoperiri la orizont, șeful diviziei fotovoltaice a Westinghouse a putut doar concluziona: „Celulele fotovoltaice nu vor fi de interes pentru inginerii practicieni până când nu vor fi de cel puțin cincizeci de ori mai eficiente”.
Autorii cărții Photovoltaics and Its Applications au fost de acord cu prognoza pesimistă, scriind în 1949: „Trebuie lăsat pe viitor dacă descoperirea unor celule mai eficiente din punct de vedere material va deschide posibilitatea utilizării energiei solare în scopuri utile”.
Mecanisme ale efectelor fotovoltaice: Efectul fotovoltaic și soiurile sale
Fotovoltaica în practică
În 1940, Russell Shoemaker Ole a creat accidental Joncțiune PN pe siliciu și a constatat că producea electricitate atunci când este iluminat. Și-a patentat descoperirea. Eficiența este de aproximativ 1%.
Forma modernă de celule solare s-a născut în 1954 la Laboratoarele Bell. În experimente cu siliciu dopat, a fost stabilită fotosensibilitatea sa ridicată. Rezultatul a fost o celulă fotovoltaică cu o eficiență de aproximativ șase procente.
Directorii mândri de la Bell au dezvăluit panoul solar Bell pe 25 aprilie 1954, prezentând un panou de celule care se bazează exclusiv pe energia luminoasă pentru a alimenta roata Ferris. A doua zi, oamenii de știință de la Bell au lansat un transmițător radio alimentat cu energie solară, care transmite voce și muzică celor mai importanți oameni de știință ai Americii reuniți pentru o întâlnire la Washington.
Primele celule solare fotovoltaice au fost dezvoltate la începutul anilor 1950.
Electricianul Southern Bell asambla un panou solar în 1955.
Celulele fotovoltaice au fost folosite ca sursă de energie electrică pentru a alimenta diverse dispozitive încă de la sfârșitul anilor 1950 pe sateliții spațiali. Primul satelit cu fotocelule a fost satelitul american Vanguard I (Avangard I), lansat pe orbită pe 17 martie 1958.
Satelitul american Vanguard I, 1958.
Satelitul Vanguard I este încă pe orbită. A petrecut mai mult de 60 de ani în spațiu (considerat cel mai vechi obiect creat de om din spațiu).
Vanguard I a fost primul satelit alimentat cu energie solară, iar celulele sale solare au furnizat energie satelitului timp de șapte ani. A încetat să trimită semnale către Pământ în 1964, dar de atunci cercetătorii l-au folosit în continuare pentru a obține o perspectivă asupra modului în care Soarele, Luna și atmosfera Pământului afectează sateliții care orbitează.
Satelitul american Explorer 6 cu panouri solare ridicate, 1959.
Cu câteva excepții, este principala sursă de energie electrică pentru dispozitivele care se așteaptă să funcționeze mult timp. Capacitatea totală a panourilor fotovoltaice de pe Stația Spațială Internațională (ISS) este de 110 kWh.
Panouri solare în spațiu
Prețurile primelor celule fotovoltaice în anii 1950 erau de mii de dolari pe watt de putere nominală, iar consumul de energie pentru a le produce a depășit cantitatea de energie electrică produsă de aceste celule în timpul vieții lor.
Motivul a fost, pe lângă eficiența scăzută, că la producția de celule fotovoltaice s-au folosit practic aceleași proceduri tehnologice și consumatoare de energie ca și în producția de microcipuri.
În condiții terestre, panourile fotovoltaice au fost folosite pentru a alimenta dispozitive mici în locații îndepărtate sau, de exemplu, pe geamanduri, unde ar fi extrem de dificil sau imposibil să le racordăm la rețeaua electrică. Principalul avantaj al panourilor fotovoltaice față de alte surse de energie electrică este că nu necesită combustibil și întreținere.
Primele panouri fotovoltaice produse în serie au apărut pe piață în 1979.
Interesul crescut pentru fotovoltaic ca sursă de energie pe Pământ, precum și pentru alte surse regenerabile, a fost alimentat de criza petrolului din anii 1970.
De atunci, s-au efectuat cercetări și dezvoltare intensive, rezultând o eficiență mai mare, prețuri mai mici și o viață mai lungă a celulelor și panourilor fotovoltaice. În același timp, intensitatea energetică a producției a scăzut într-o asemenea măsură încât panoul generează de multe ori mai multă energie decât a fost folosită pentru producerea lui.
Cele mai vechi (încă în uz) mari structuri de coastă datează de la începutul anilor 1980. La acea vreme, celulele de siliciu cristalin erau încă complet dominate, a căror durată de viață a fost confirmată în condiții reale de cel puțin 30 de ani.
Pe baza experienței, producătorii garantează că performanța panoului va scădea cu maxim 20% după 25 de ani (totuși, rezultatele instalațiilor menționate sunt mult mai bune). Pentru alte tipuri de panouri, durata de viață este estimată pe baza unor teste accelerate.
Pe lângă celulele originale de siliciu monocristalin, de-a lungul anilor au fost dezvoltate o serie de noi tipuri de celule fotovoltaice, atât film cristalin cât și subțire… Cu toate acestea, siliciul este încă materialul dominant în fotovoltaică.
Tehnologia fotovoltaică a cunoscut un boom major din 2008, când prețurile siliciului cristalin au început să scadă rapid, în principal din cauza transferului producției către China, care anterior era un jucător minoritar pe piață (majoritatea producției fotovoltaice era concentrată în Japonia, SUA, Spania și Germania).
Fotovoltaica s-a răspândit doar odată cu introducerea diferitelor sisteme de suport. Primul a fost programul de subvenții din Japonia și apoi sistemul de prețuri de cumpărare din Germania. Ulterior, sisteme similare au fost introduse într-un număr de alte țări.
Energia fotovoltaică este cea mai comună sursă de energie regenerabilă astăzi și este, de asemenea, o industrie în creștere rapidă. Este instalat pe scară largă pe acoperișurile clădirilor, precum și pe terenuri care nu pot fi folosite pentru lucrări agricole.
Cele mai recente tendințe includ și instalații de apă sub formă de sisteme fotovoltaice plutitoare și instalații agro-fotovoltaice, combinând instalațiile fotovoltaice cu producția agricolă.