Akumulatory

Większość z nas nie myśli zbytnio o tym, skąd pochodzi nasza energia elektryczna. Energia elektryczna wytwarzana podczas spalania paliw kopalnych, takich jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny, emituje dwutlenek węgla, tlenki azotu i tlenki siarki - gazy, które zdaniem naukowców przyczyniają się do zmiany klimatu. Słoneczna energia cieplna (ciepło) jest bezemisyjną, odnawialną alternatywą dla energii wytwarzanej z paliw kopalnych, takich jak węgiel i gaz. To też nie jest kwestia przyszłości. W latach 1984–1991 Niemcy zbudowały trzy takie elektrownie na obrzeżach Berlina, a dziś nadal zapewniają one łączną moc 54 megawatów rocznie, przy czym energia wykorzystywana jest w 10 000 domów. Do tego niezawodna moc. W 2008 roku, kiedy sześć dni szczytowego zapotrzebowania zapaliło sieć elektroenergetyczną i spowodowało przerwy w dostawie prądu, te słoneczne elektrownie termiczne nadal produkowały ze 110 procentową wydajnością. Zastanawiasz się, czemu od tamtego czasu nie nastał większy rozwój takich elektrowni? Niestety, ale w latach 90, kiedy spadły ceny gazu ziemnego, spadło zainteresowanie energią słoneczną. 

Dziś jednak technologia jest gotowa na powrót. W kilku krajach na świecie, funkcjonują laboratoria energii odnawialnej, które szacują, że słoneczna energia cieplna mogłaby dostarczyć setki gigawatów energii elektrycznej, co odpowiada ponad 10 procentom zapotrzebowania w samych tylko Stanach Zjednoczonych. Istnieją dwa główne sposoby pozyskiwania energii ze słońca. Technologia fotowoltaiczna (PV) i koncentrująca energia słoneczna (CST), znana również jako technologia koncentracji energii słonecznej (CSP). PV przekształca światło słoneczne bezpośrednio w energię elektryczną. Te ogniwa słoneczne są zwykle używane do zasilania urządzeń, takich jak zegarki, okulary przeciwsłoneczne i plecaki, a także do zasilania urządzeń domowych na odległych obszarach. W porównaniu z tym technologia słoneczno-termiczna jest używana na większą skalę. Jedną dużą różnicą w porównaniu z PV jest to, że elektrownie słoneczne wytwarzają energię elektryczną pośrednio. Ciepło promieni słonecznych jest zbierane i wykorzystywane do podgrzewania płynu. Para wytwarzana z podgrzanego płynu zasila generator wytwarzający energię elektryczną. Jest podobny do sposobu, w jaki działają elektrownie spalające paliwa kopalne, z wyjątkiem tego, że para jest wytwarzana raczej ze zgromadzonego ciepła niż ze spalania paliw kopalnych.

Istnieją dwa rodzaje systemów solarnych: pasywne i aktywne. System pasywny nie wymaga żadnego wyposażenia, tak jak wtedy, gdy wewnątrz samochodu gromadzi się ciepło, gdy jest on zaparkowany na słońcu. Aktywny system wymaga pewnego sposobu pochłaniania i gromadzenia promieniowania słonecznego, a następnie przechowywania go. Słoneczne elektrownie cieplne są systemami aktywnymi i chociaż istnieje kilka typów, istnieje kilka podstawowych podobieństw: lustra odbijają i koncentrują światło słoneczne, a odbiorniki zbierają tę energię słoneczną i przekształcają ją w energię cieplną. Następnie można użyć generatora do produkcji energii elektrycznej z tej energii cieplnej. Najpopularniejszy typ słonecznych elektrowni cieplnych wykorzystuje paraboliczną konstrukcję rynny do zbierania promieniowania słonecznego. Kolektory te znane są jako systemy koncentratorów liniowych, a największe są w stanie wygenerować 80 megawatów energii elektrycznej. Mają kształt halfpipe, który można zobaczyć na snowboardzie lub deskorolce, i mają liniowe, paraboliczne reflektory pokryte ponad 900 000 luster, które są ustawione w linii północ-południe i mogą obracać się, aby podążać za słońcem poruszającym się na wschód i zachód w ciągu dnia. 

Ze względu na swój kształt ten typ instalacji może osiągnąć temperaturę roboczą około 400 stopni C, koncentrując promienie słoneczne z 30 do 100-krotną intensywnością na rurach wypełnionych cieczą przenoszącą ciepło lub wodą / parą. Gorący płyn jest używany do produkcji pary, która następnie obraca turbinę, która napędza generator do wytwarzania energii elektrycznej. Podczas gdy projekty rynn parabolicznych mogą działać z pełną mocą jako elektrownie słoneczne, są one częściej używane jako hybryda energii słonecznej i paliw kopalnych, dodając możliwości paliw kopalnych jako rezerwę. Systemy wież solarnych to inny rodzaj systemów solarnych. Wieże energetyczne opierają się na tysiącach heliostatów , które są dużymi, płaskimi lustrami śledzącymi słońce, które skupiają i koncentrują promieniowanie słoneczne na pojedynczym odbiorniku zamontowanym na wieży. Podobnie jak rynny paraboliczne, w odbiorniku podgrzewany jest płyn przenoszący ciepło lub woda / para (wieże energetyczne są w stanie skoncentrować energię słoneczną nawet 1500 razy), ostatecznie przekształcane w parę i wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej za pomocą turbiny i generator.

Prawdopodobnie widziałeś kalkulatory z ogniwami słonecznymi - urządzenia, które nigdy nie potrzebują baterii, a w niektórych przypadkach nie mają nawet przycisku wyłączania. Dopóki jest wystarczająco dużo światła, wydają się działać wiecznie. Być może widzieliście również większe panele słoneczne, być może na drogowych znakach alarmowych, budkach telefonicznych, bojach, a nawet na parkingach do zasilania świateł. Chociaż większe panele nie są tak powszechne jak kalkulatory zasilane energią słoneczną, są tam i nie są tak trudne do zauważenia, jeśli wiesz, gdzie szukać. W rzeczywistości fotowoltaika - która kiedyś była używana prawie wyłącznie w kosmosie, zasilając systemy elektryczne satelitów już w 1958 roku - jest coraz częściej wykorzystywana w mniej egzotyczny sposób. Technologia cały czas pojawia się w nowych urządzeniach, od okularów przeciwsłonecznych po stacje ładowania pojazdów elektrycznych.

Nadzieja na „rewolucję słoneczną” unosi się od dziesięcioleci - idea, że ​​pewnego dnia wszyscy będziemy korzystać z darmowej energii elektrycznej ze słońca to kusząca obietnica, ponieważ w jasny, słoneczny dzień promienie słoneczne emitują około 1000 watów energii na metr kwadratowy powierzchni planety. Gdybyśmy mogli zebrać całą tę energię, moglibyśmy z łatwością bezpłatnie zasilać nasze domy i biura. Ogniwa słoneczne, przekształcają energię słoneczną bezpośrednio w energię elektryczną. W trakcie tego procesu dowiesz się, dlaczego zbliżamy się do codziennego wykorzystywania energii słonecznej i dlaczego nadal musimy przeprowadzić więcej badań, zanim proces ten stanie się w pełni opłacalny na globalną skalę. Ty już możesz korzystać z niej dziś kupując odpowiednie panele słoneczne oraz akumulatory, które mogły by ją gdzie magazynować. Ogniwa słoneczne, które widzisz na kalkulatorach i satelitach, są również nazywane ogniwami fotowoltaicznymi (PV), które jak sama nazwa wskazuje (foto oznacza „światło”, a wolta oznacza „ elektryczność ”), przekształcają światło słoneczne bezpośrednio w energię elektryczną. Moduł to grupa ogniw połączonych elektrycznie i zapakowanych w ramę (bardziej znaną jako panel słoneczny), którą można następnie pogrupować w większe układy słoneczne.

Ogniwa fotowoltaiczne są wykonane ze specjalnych materiałów zwanych półprzewodnikami, takich jak krzem, który jest obecnie najczęściej używany. Zasadniczo, gdy światło pada na komórkę, pewna jego część jest absorbowana w materiale półprzewodnikowym. Oznacza to, że energia pochłoniętego światła jest przenoszona do półprzewodnika. Energia wypycha elektrony, umożliwiając im swobodny przepływ. Wszystkie ogniwa fotowoltaiczne mają również jedno lub więcej pól elektrycznych, które zmuszają elektrony uwolnione przez absorpcję światła do przepływu w określonym kierunku. Ten przepływ elektronów jest prądem i umieszczając metalowe styki na górze i na dole ogniwa PV, możemy pobrać ten prąd do użytku zewnętrznego, powiedzmy, do zasilania kalkulatora. Prąd ten wraz z napięciem ogniwa (będącym wynikiem jego wbudowanego pola lub pól elektrycznych) określa moc (lub moc w watach), jaką może wytworzyć ogniwo słoneczne. To jest podstawowy proces. Dodanie paneli słonecznych do istniejącego domu może być kosztowne - ale istnieje wiele innych sposobów, aby uczynić swój dom bardziej ekologicznym. Jak krzem tworzy ogniwo słoneczne?

Krzem ma pewne szczególne właściwości chemiczne, zwłaszcza w postaci krystalicznej. Atom krzemu ma 14 elektronów, rozmieszczone w trzech różnych powłok. Pierwsze dwie powłoki - które zawierają odpowiednio dwa i osiem elektronów - są całkowicie pełne. Jednak zewnętrzna powłoka jest tylko w połowie wypełniona zaledwie czterema elektronami. Atom krzemu zawsze będzie szukał sposobów na wypełnienie swojej ostatniej powłoki i aby to zrobić, będzie dzielił elektrony z czterema pobliskimi atomami. To tak, jakby każdy atom trzymał ręce swoich sąsiadów, z wyjątkiem tego, że w tym przypadku każdy atom ma cztery ręce połączone z czterema sąsiadami. To właśnie tworzy strukturę krystaliczną i ta struktura okazuje się ważna dla tego typu ogniw PV. Jedynym problemem jest to, że czysty krystaliczny krzem jest słabym przewodnikiem elektryczności, ponieważ żaden z jego elektronów nie może się swobodnie poruszać, w przeciwieństwie do elektronów w bardziej optymalnych przewodnikach, takich jak miedź. Aby rozwiązać ten problem, krzem w ogniwie słonecznym zawiera zanieczyszczenia - inne atomy celowo zmieszane z atomami krzemu - co nieco zmienia sposób działania. Zwykle myślimy o zanieczyszczeniach jako o czymś niepożądanym, ale w tym przypadku nasza komórka nie działałaby bez nich. Rozważmy krzem z atomem fosforu tu i tam, może jeden na milion atomów krzemu. Fosfor ma pięć elektronów w swojej zewnętrznej powłoce, a nie cztery. 

Nadal wiąże się z sąsiednimi atomami krzemu, ale w pewnym sensie fosfor ma jeden elektron, który nie ma nikogo, kogo mógłby trzymać za ręce. Nie stanowi części wiązania, ale w jądrze fosforu utrzymującym go na miejscu znajduje się dodatni proton. Gdy energia jest dodawany do czystego krzemu, w postaci ciepła, na przykład, może to spowodować, że parę elektronów uwolnić z ich wiązania oraz miejsce węgla. W każdym przypadku pozostaje dziura. Te elektrony, zwane wolnymi nośnikami , wędrują następnie losowo po sieci krystalicznej, szukając kolejnej dziury, w którą wpadną i przenoszą prąd elektryczny. Jednak jest ich tak mało w czystym krzemie, że nie są zbyt przydatne. Ale nasz zanieczyszczony krzem z domieszką atomów fosforu to inna historia. Potrzeba znacznie mniej energii, aby uwolnić jeden z naszych „dodatkowych” elektronów fosforu, ponieważ nie są one związane wiązaniem z żadnymi sąsiednimi atomami. W rezultacie większość tych elektronów uwalnia się i mamy o wiele więcej wolnych nośników niż w czystym krzemie. Proces celowego dodawania zanieczyszczeń nazywany jest domieszkowaniem, a po dodaniu fosforu powstały krzem nosi nazwę typu N („N” od ujemnego) ze względu na występowanie wolnych elektronów. Krzem domieszkowany typu N jest znacznie lepszym przewodnikiem niż czysty krzem. Druga część typowego ogniwa słonecznego jest domieszkowana pierwiastkiem boru, który ma tylko trzy elektrony w swojej zewnętrznej powłoce zamiast czterech, aby stać się krzemem typu P. Zamiast wolnych elektronów, typ P („P” dla dodatniego) ma wolne otwory i ma przeciwny (dodatni) ładunek. I tak oto wygląda typowe ogniwo słoneczne.