Использование солнечной энергии

Люди жили на атолле Утрик последние 4000 лет. Это тропический рай, который является частью Республики Маршалловы Острова, нации островов и атоллов посреди Тихого океана. Атолл Утрик является убежищем для морских черепах, птиц и многих видов рыб. В последнее время глобальное изменение климата привело к засухе в регионе, и стало все труднее добывать пресную питьевую воду. Та вода, которую они могли выкачивать из колодцев, зависела от электричества от дизельных генераторов, но из-за роста стоимости топлива этот процесс был слишком дорогим для поддержания.

Лидеры Utrik работали с Moana Marine, LLC, местной альтернативной энергетической компанией, над установкой системы питания с солнечными батареями и двух небольших ветряных генераторов, которые производили достаточно электроэнергии для питания системы водоснабжения острова. С тех пор энергосистема обеспечивает обильное снабжение домов электричеством и позволила открыть новую школу, новый общественный центр и сельскохозяйственный питомник.

Техник местного самоуправления Утрика Беаса (справа) использует устройство на солнечной энергии, которое раздает свежую, чистую питьевую воду.

Гифф Джонсон, The Marshall Islands Journal

Утрик может быть моделью в миниатюре для судьбы, которая может ожидать остальной мир в Соединенных Штатах, основным источником энергии являются ископаемые виды топлива — нефть, природный газ и уголь, ископаемое топливо дает 85% энергии, которая нам нужна. чтобы освещать наши дома, питать наши машины и готовить еду. Но рано или поздно у нас закончатся запасы ископаемого топлива. Кроме того, многим странам, в том числе США, необходимо импортировать ископаемое топливо, поскольку оно встречается только в определенных частях мира.Еще одна проблема с ископаемым топливом заключается в том, что при его сжигании выделяется углекислый газ, парниковый газ, который способствует глобальному изменению климата.

Перспективной альтернативой ископаемому топливу является солнечная энергия. Все население Земли в настоящее время использует около 13 тераватт (1 тераватт равен одному триллиону ватт) энергии. Это всего лишь 0,01% от 120 000 тераватт энергии, доставляемой солнцем на поверхность земли. Если бы мы могли найти способ использовать хотя бы часть этой солнечной энергии, мы могли бы решить наши энергетические проблемы.

Преобразование солнечного света в электричество

Все, что нужно для производства электроэнергии от солнца, — это небольшое устройство, называемое солнечным элементом, которое преобразует солнечную энергию непосредственно в электричество. Для питания дома или здания солнечные элементы объединяются в модули и массивы, образуя солнечные панели (рис. 1а, 1б).

Рисунок 1а.

Солнечные элементы располагаются в виде модуля, который затем объединяется в массив.

Солнечные элементы располагаются в виде модуля, который затем объединяется в массив. Солнечная панель, такая как показанная на крыше этого дома, состоит из ряда массивов, расположенных рядом друг с другом.

Shutterstock.com

Рисунок 1б.

Солнечная панель, такая как показанная здесь на крыше здания, состоит из ряда массивов, расположенных рядом друг с другом.

Солнечные панели являются «двоюродными братьями» чипов в компьютерах или сотовых телефонах. Технология изготовления солнечных панелей аналогична технологии изготовления компьютерных чипов. Оба используют класс материалов, называемых полупроводниками — материалов, которые имеют ограниченную способность проводить электрический ток.

Большинство полупроводников изготовлено из кристаллического кремния. В кристалле чистого кремния каждый атом кремния связан с четырьмя другими атомами кремния, и каждая связь состоит из пары общих электронов. Это стабильная конфигурация. Электроны, участвующие в этих связях, движутся очень мало и ограничены связями.

Кремний не проводит электричество, потому что его электроны не двигаются легко. Подумайте о театре, наполненном людьми. Если все места заняты, никто не сможет сдвинуться или пересесть на лучшее место. Это меняется, если кремний «легирован». Легирование означает преднамеренное добавление небольшого количества другого элемента, называемого легирующей примесью, к кремнию.

Первый тип легированного кремния называется p-типом (p означает «положительный»). Его получают введением атомов, таких как бор или галлий, у которых на внешнем уровне на один электрон меньше, чем у кремния (рис. 2а). Это означает, что вместо четырех связей общих пар электронов с другими атомами кремния имеется одна открытая «дыра». Это похоже на несколько свободных мест в театре; это значительно облегчает пересадку с одного места на другое.

Второй тип легированного кремния называется n-типом (n означает «отрицательный»). Это делается путем включения атомов, у которых на внешнем уровне на один электрон больше, чем у кремния (рис. 2б). Этот дополнительный электрон может свободно двигаться. В нашей аналогии с театром это похоже на одно место, занятое двумя людьми. Поскольку это неудобно, один из них прыгал на другое место.

Фигура 2.
(а) кремниевый полупроводник p-типа, легированный галлием; (б) кремниевый полупроводник n-типа, легированный мышьяком.

Помещая слой p-легированного кремния рядом со слоем n-легированного кремния, мы создаем то, что известно в электронике как p-n-переход, или диод (рис. 3). Диоды контролируют электричество, позволяя току течь только в одном направлении. Представьте, если бы наш театр сидел сзади, по два человека на место и пустые места впереди. Люди будут мигрировать из тыла на фронт, а не в обратном направлении. Вот что происходит в p-n переходе.

Солнечный элемент состоит из множества p-n переходов (рис. 3). Когда солнечный элемент подвергается воздействию солнечного света, маленькие частицы, из которых состоит свет, называемые фотонами, проникают в солнечный элемент и выбивают некоторые из его электронов.Когда эти электроны находятся в пограничной области — между слоями n-типа и p-типа — они перемещаются из слоя n-типа в слой p-типа. Затем металлическая проволока собирает эти электроны и возвращает их на обратную сторону слоя n-типа через внешнюю цепь, создавая поток электричества.

Рисунок 3.
Схематическая диаграмма одного слоя солнечного элемента, показывающая полупроводники n-типа и p-типа.

В сети и вне сети

Основная сложность солнечной энергии заключается в том, что ее можно собирать только тогда, когда солнечно. Чтобы решить эту проблему, в большинстве жилых помещений используется система «сетевого учета». Ночью или в пасмурные дни домовладелец, как обычно, использует электроэнергию из электросети — сети линий электропередач, по которым электроэнергия подается в дома и здания. В солнечный день солнечные батареи производят электроэнергию, которая используется домом, заменяя электроэнергию из сети. Если солнечные батареи собирают слишком много солнечной энергии, то есть если часть солнечной энергии не используется, она поступает в сеть и приносит домовладельцу деньги, которые платит электрическая компания.

Возможно, наиболее желательным способом использования солнечной энергии является полная независимость дома или здания от электросети. Вместо того, чтобы иметь подключение к электросети с сетевым счетчиком, солнечный дом или здание будут существовать «вне сети».

Но что произойдет ночью или в пасмурные дни? В солнечные дни избыточная солнечная энергия будет храниться в больших батареях и использоваться при отсутствии солнечного света. Альтернативой является использование портативных газовых или дизельных генераторов для замены солнечной энергии. Благодаря постоянному совершенствованию технологий и снижению затрат есть вероятность, что когда-нибудь Соединенные Штаты последуют модели атолла Утрик и начнут активно использовать солнечную энергию.

ИЗБРАННЫЕ ССЫЛКИ

Солнечная 101: Как работает солнечная энергия. Solarworld-США:
http://www.solarworld-usa.com/solar-for-home/solar-101/history-of-solar.aspx. [По состоянию на апрель 2011 г.].

Юинг, Р.А.; Пратт, Д. Есть солнце? Используйте солнечную энергию: получите бесплатную возобновляемую энергию для питания своего дома, подключенного к сети, PixyJack Press, Masonville, Co.

Уолш, б. Новый стиль солнечной энергетики. Время. 12 июня 2008 г.

Майкл Тиннесанд, писатель и консультант по вопросам образования, живет в Портленде, штат Орегон. Его последняя статья в ChemMatters, Одиночное зажигание: поучительная история, опубликованный в апрельском выпуске 2011 года.