Знаете ли вы, что солнечные батареи совсем не так полезны для природы, как принято считать?
Для начала вспомним, что такое солнечная батарея. Это устройство, которое собирает солнечные лучи на специальные пластины и превращает энергию света в электрический ток. Пластины солнечных батарей сделаны из полупроводниковых материалов — например, из кремния с примесью фосфора или из арсенида галлия, соединения галлия и мышьяка.
Как происходит превращение энергии света в электрический ток?
Самые распространенные солнечные элементы состоят из двух частей. В одной находится избыток электронов, поэтому ее называют полупроводником n-типа (от слова «negative», из-за отрицательного заряда электронов). В другой пластине недостаток электронов, ее называют полупроводником p-типа (от «positive»). На границе слоев возникает p-n переход, который запрещает электронам переходить из одной области в другую.
Когда фотоны попадают на пластину полупроводника, их энергия поглощается электронами. Дополнительная энергия позволяет им вырваться из атомов, но не из вещества. В материале появляется много свободных зарядов (еще больше дырок в p-типе, и еще больше электронов в n-типе). Все стремится прийти к равновесию, но p-n переход может пропускать заряды только в одном направлении (электроны из p в n), поэтому из одной пластины в другую заряд не перетекает. Но стоит подключить к ним внешнюю цепь, в ней возникает электрический ток!
Тока, который генерируется небольшим кусочком полупроводника, недостаточно для хозяйственных нужд. Поэтому полупроводниковые элементы собирают в панели, которые соединяют последовательно. Сверху их покрывают антибликовым покрытием из ПВХ, чтобы увеличить поглощение солнечной энергии, а затем – стеклянным покрытием, чтобы защитить от дождя, ветра и пыли. Такие панели могут быть площадью в несколько квадратных сантиметров, а могут собираться в целые фермы из солнечных батарей.
Кроме того, для работы солнечной электростанции нужны разные другие электрические устройства: инвертор для преобразования постоянного тока в переменный, аккумуляторы для накопления энергии, контроллеры управления.
Солнечные батареи: польза или вред?
Итак, солнечные батареи позволяют получать электроэнергию буквально “из воздуха”, накапливать её запасы, а также уменьшить выбросы парниковых газов и сжигание ископаемого топлива, на котором сейчас работает большинство электростанций. Казалось бы, сплошная выгода для экологии?
Однако это не совсем так.
Во-первых, солнечные фермы занимают большие площади земли. Кроме того, они загромождают ландшафт и даже могут увеличивать расходы на электроэнергию (если по местным законам стоимость электроэнергии выше ночью, то пользование электроприборами в ночное время обойдётся дороже, чем возврат энергии от солнечных батарей в сеть днём).
В целом, несмотря на субсидии в ряде государств, установка солнечных батарей для личного пользования окупается через 10-15 лет.
Во-вторых, солнечные батареи сложно перерабатывать. Только за последние годы в мире было установлено несколько миллионов полупроводниковых панелей. Примерно к 2030 году они выйдут на пенсию. Куда девать миллионы тонн кремния, мышьяка, свинцовых соединений и других отходов?
В-третьих, в солнечных электростанциях используются литий-ионные аккумуляторы — те же самые, что и в смартфонах, ноутбуках и электромобилях. На сегодняшний день переработке подлежит менее 5% таких аккумуляторов, а сам процесс пока что менее экономичен, чем добыча нового лития.
Солнечные батареи - это, разумеется, эффективная, удобная, экологичная технология. Но нужно понимать, что и она не идеальна, в ней есть много нюансов и слабых мест, которые стоит улучшать, на что может потребоваться много усилий и средств.
Создание новой энергетической базы никогда не обходилось человечеству дёшево, но у солнечной энергетики перспективы очень обнадеживающие.
Смотрите новые видео на youtube.com/@PhysFromPobed
Приобретайте наши конструкторы на fizikits.ru