Історія та розвиток фотовольтаїки. Сонячна батарея Bell labs

Історія та розвиток фотовольтаїки

Перше відкриття сонячного елемента поклало початок змінам у виробництві енергії. Ця зміна буде повторюватися знову і знову, щоб досягти нового прогресу в галузі сонячної енергії дослідниками, і це все ще триває. Історія сонячної енергетики. це історія інновацій, яка почалася на початку 19 століття.

Сонячна енергія в 1800-х роках

У 1839 році французький вчений Едмон Беккерель відкрив фотоелектричний ефект у віці 19 років. Він зрозумів, що коли електрони перебувають у збудженому стані в зоні провідності, вони можуть вільно рухатися крізь матеріал, створюючи таким чином струм. Але це не було широко визнано, поки Ейнштейн не написав статтю про енергію сонця, за яку він врешті-решт отримав Нобелівську премію в 1922 році. Першу сонячну панель винайшов Чарльз Фріттс у 1883 році, де він покрив тонкий шар селену надзвичайно тонким шаром золота. Отримані елементи мали електричну ефективність перетворення лише близько 1%. Цей винахід призвів до започаткування руху за виробництво сонячної енергії.

Сонячна енергія в 1900-х роках

Сонячна ера почалася в 1950 році, коли вчені Лабораторії Белла зосередилися на фотоелектричних розробках і почали використовувати кремній для виробництва сонячних елементів. Цей прорив завдячує Дерілу Чапіну, Келвіну Фуллеру та Джеральду Пірсону, які досягли ефективності лише 4%. Цей прорив спонукав уряд США вкладати більше грошей у технологію сонячних батарей. У 1960-х і 1970-х роках виробництво сонячних панелей стало можливим, але недоліком було те, що вони були занадто дорогими для звичайних споживачів, але вчені продовжували розробляти технологію сонячної енергії, щоб знизити її вартість. З появою напівпровідників у 1941 році Рассел С. Ол описав процес формування кремнієвих злитків, який призвів до створення першого елемента з P-N переходом. Ол вирізав частину злитка, включаючи верхню, бар’єрну та нижню частини, і прикріпив електроди до верхньої та нижньої частин, отримавши перший кремнієвий сонячний елемент. На малюнку нижче представлений перший в історії запатентований кремній P-N.ЕРС (електрорушійна сила PN-переходу) елемента.

Зображення нижче. це рекламне фото, яке з’явилося у випуску журналу Look Magazine за 1956 рік і демонструє американській громадськості “Сонячну батарею Белла”.

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

Сонячна енергетика у 2000-х роках

У 1950-х роках у світі було менше вата сонячних елементів, що живили електричне обладнання. Перенесемося у 21 століття, 50 років безперервних відкриттів і розробок кремнію та інших фотоелектричних матеріалів, які все ще тривають, і сьогодні сонячні панелі забезпечують електроенергією мільйони будинків по всьому світу, живлять будівлі, супутники та забезпечують екологічно чисту енергію по всьому світу.

Глобальна встановлена потужність сонячної енергетики оцінюється приблизно в 728 ГВт і, за оцінками, зросте до 1,645 ГВт у 2026 році. Сонячна енергетика продемонструвала найшвидше зниження вартості серед енергетичних технологій. Ціна кремнієвих фотоелектричних елементів у 1950-х роках становила 76 доларів США/ват, яка значно знизилася до 0.20 доларів США/Вт у 2021 році. З 2000 по 2019 рік їх виробництво значно скоротилося, але потім почало вирівнюватися. На малюнку нижче показана тенденція до зниження собівартості.

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

Рисунок 3: тенденція до зниження вартості.Джерело: PVinsights: PVinsights

Більші заводи, використання автоматизації та більш ефективних методів виробництва забезпечили економію на масштабах, нижчі витрати на робочу силу та менші матеріальні відходи для сонячної енергетики. Середня вартість сонячної панелі знизилася на 90% з 2010 по 2020 рік.

Основними типами сонячних панелей, доступних сьогодні на ринку, є монокристалічні, полікристалічні та тонкоплівкові панелі. Тонкі плівки включають в себе елементи, виготовлені з різних матеріалів, на відміну від кремнієвих сонячних елементів. Кожен з них має свої переваги та недоліки.

Майбутнє сонячної енергетики

Сонячна енергетика розвивається зі швидкістю, яка дивує навіть експертів у цій галузі, і тепер обіцяє відігравати помітну роль у поточному енергетичному переході. Згідно з даними Solar Energy Industry Data (SEIA) за останнє десятиліття світова фотоелектрична промисловість зростала із середньорічним темпом понад 35%. Безсумнівно, що розгортання фотоелектричних станцій буде продовжувати зростати, оскільки світовий енергетичний портфель все більше переходить на відновлювані джерела енергії.

Збільшення потужності модулів панелей з 250 Вт до 500 Вт за останнє десятиліття призвело до зниження відносного внеску вартості модуля в загальну вартість фотоелектричної системи. Кремнієві сонячні елементи все ще домінують на ринку, і знадобиться деякий час, щоб сонячні елементи іншого покоління завоювали домінування на ринку.

Однією з ключових проблем є зниження вартості та підвищення ефективності, це може бути вирішено шляхом розробки нових конкурентоспроможних на ринку методів виробництва сонячних модулів на основі кремнієвих пластин за нижчою вартістю. Орієнтуючись на фотоелектричні технології на основі кристалічного кремнію, ця стандартизована галузь має круту криву навчання і має всі шанси вирішити проблему виробництва багатьох терават енергії. Ми також досягаємо теоретичної межі одноперехідних сонячних елементів.

Зрештою, тандемні технології можуть стати рішенням для вирішення цієї проблеми, однак все ще потрібні значні дослідження, щоб зробити це можливим за низьких витрат для масового ринку. Враховуючи той факт, що цій технології вже більше п’ятдесяти років, потрібно більше досліджень і розробок, щоб орієнтуватися в різноманітних можливостях.

Система забезпечить довгострокову економію енергії для історичного об’єкту в Мюррей-Хілл.

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

До кінця квітня в історичному кампусі Bell Labs компанії Alcatel-Lucent в Мюррей-Хілл буде завершено будівництво найсучаснішої наземної сонячної електростанції, яка буде генерувати 1.2-мегават електроенергії та приблизно 2.5 мільйонів доларів економії витрат для компанії протягом наступних 15 років. Цього достатньо, щоб забезпечити електроенергією 200 середньостатистичних будинків у Нью-Джерсі щорічно.

Цей унікальний проект об’єднує ConEdison Development і Sunpower Corporation в рамках угоди про співпрацю з Alcatel-Lucent, згідно з якою SunPower спроектує і встановить систему масивів з більш ніж 3700 сонячних панелей, які слідують за щоденним рухом сонця і вловлюють його промені, що виробляють енергію. Компанія Con Edison Development, яка орендує землю у Alcatel-Lucent, також буде володіти і експлуатувати систему і дозволить Alcatel-Lucent викуповувати електроенергію у ConEdison за значно зниженою ціною.

“Сонячна енергетика сьогодні має сенс для комунальних служб, бізнесу та житлових будинків у Нью-Джерсі, і доповнюється привабливими стимулами, що надаються державою”. сказав Джим Пейп, президент бізнес-групи SunPower, що займається житловими та комерційними об’єктами.

Зацікавленість у місцевій нерухомості? Підпишіться на нову розсилку Patch, щоб першими дізнаватися про дні відкритих дверей, нові оголошення та багато іншого.

За іронією долі, саме Bell Labs стала піонером у розробці технології сонячної енергетики у 1954 році, створивши перші сонячні панелі для живлення телефонних ліній для сільських американських фермерів. Фактично, 3600 елементів батареї Bell Solar живили перший у світі супутник зв’язку Telstar I у 1962 році. Сонячні батареї продовжують допомагати живити супутники, космічні апарати, Міжнародну космічну станцію та марсохід.

Сьогодні Alcatel-Lucent є лідером у використанні альтернативних енергетичних рішень для живлення своїх об’єктів по всьому світу. За даними U.За оцінками Агентства з охорони навколишнього середовища, нова сонячна система в Мюррей-Хілл компенсує виробництво понад 25 000 тонн викидів вуглекислого газу протягом 30-річного періоду, що еквівалентно видаленню понад 8 550 автомобілів з автомагістралей Нью-Джерсі.

Зацікавилися місцевою нерухомістю? Підпишіться на нову розсилку Patch, щоб першими дізнаватися про дні відкритих дверей, нові оголошення та багато іншого.

“Alcatel-Lucent взяла на себе серйозні зобов’язання щодо екологічної стійкості, і це один з кроків, які ми робимо, щоб виконати це зобов’язання”. сказав Джонг Кім, президент Bell Labs.

Майкл Девіс, старший менеджер з нерухомості Alcatel-Lucent, який курирує проект, сказав, що корпоративна мета полягає в тому, щоб скоротити викиди вуглецю на 50 відсотків і вивчити інші методи використання відновлюваних джерел енергії, таких як сонячна і вітрова енергія, щоб допомогти досягти цієї мети.”

Розташована на “галявині перед будинком” площею 6 акрів на 200-акровому майданчику Bell Labs біля Маунтін Авеню в Мюррей Хілл, сонячна батарея з часом буде прихована декоративною огорожею, вдало розташованими деревами, місцевими чагарниками та іншими насадженнями.

“Ми координували наші зусилля з планування майданчика з місцевими органами містобудування з Нью-Провіденса та Берклі-Хайтс”. Крім того, ми були обережні, прокладаючи систему на відкритому трав’яному полі, щоб уникнути вирубки дерев”. сказав Девіс.

Зі зростанням витрат і екологічної небезпеки, пов’язаних з видобутком викопного палива з планети, потреба у відновлюваних джерелах енергії, таких як сонячна, вітрова і геотермальна, є більш життєво важливою, ніж будь-коли.

За даними Міжнародного енергетичного агентства, до 2050 року майже половина світових потреб в енергії буде забезпечуватися за рахунок відновлюваних джерел, таких як сонячна енергія.

“По всій країні і в усьому світі далекоглядні корпорації посилюють свою прихильність до навколишнього середовища, звертаючись до відновлюваних джерел енергії. сказав Марк Нойс, віце-президент ConEdison Development. “Ми пишаємося тим, що співпрацюємо з SunPower, щоб допомогти Alcatel Lucent виконати свої зобов’язання щодо сталого розвитку.”

Врятовані космічною гонкою

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

Вчені встановлюють 3.5-фунтовий супутник Vanguard I в носовій частині ракети-носія. Перша спроба втратила потужність і вибухнула на стартовому майданчику. Другий досяг орбіти в березні 1958 року. Це був четвертий супутник, виведений на орбіту (після “Супутника І” і “Супутника ІІ”, а також супутника “Юпітер”), який компанія запустила в 1954 році.S. Армійський дослідник I). Перші три супутники, що працювали на внутрішніх батареях, вийшли з ладу через кілька тижнів. Vanguard I, що живиться від шести фотоелементів, передавав протягом шести років. Він все ще на орбіті.

Мало які винаходи в історії Bell Laboratories викликали стільки уваги ЗМІ та громадського резонансу, як кремнієвий сонячний елемент, відомий на той час як Bell Solar Battery. Подробиці про цей винахід, які компанія Bell розкрила на прес-конференції, що відбулася у квітні 1954 року, значно підвищили інтерес до сонячної енергетики.

Джон Єллотт, інженер-механік, який, ймовірно, знав більше про спроби використання енергії сонця у ХХ столітті, ніж будь-хто інший в Америці, привітав кремнієвий сонячний елемент як “перший дійсно важливий прорив у технології сонячної енергії” для того періоду часу. 1

Насправді, згідно з повідомленням журналу Newsweek за 1955 рік, багато хто передбачав, що сонячна батарея “стане конкурентом атомної енергетики”.” 2

Технічний прогрес триває в лабораторії

Технічний прогрес тривав, і за наступні півтора року ефективність стільникового зв’язку подвоїлася. Але комерційний успіх вислизнув від сонячних елементів через їх непомірно високу вартість. За розрахунками Чапіна, 1-ватна комірка коштувала 286 доларів, і в 1956 році домовласник повинен був заплатити 1 430 000 доларів за масив, достатній для забезпечення енергією середнього будинку. Це привело його до тверезої оцінки, що “якою б захоплюючою не була перспектива використання кремнієвих сонячних перетворювачів для отримання енергії очевидно, що ми не просунулися до рівня, коли зможемо конкурувати на комерційній основі”.” 3

Hoffman Electronics, власник ліцензії на комерціалізацію сонячної батареї Bell, заперечував. Генеральний директор Леслі Хоффман бачив майбутнє у живленні електричних пристроїв у місцях, віддалених від ліній електропередач. “Уявіть собі. сказав він, виступаючи перед урядовцями. віддалену телефонну ретрансляційну станцію посеред пустелі”.Масив сонячних елементів і система акумуляторних батарей. ось відповідьАбо важкі витратні сухі батареї, або паливо для досить ненадійного зарядного пристрою для бензинових двигунів доводиться доставляти на майданчик з великими витратами. “Сонячна батарея. підкреслив він, сповнений переконання. набагато краща відповідь”.” 4

Кремнієва атомна батарея тимчасово затьмарила винахід Белла

Однак ці чиновники, як і більшість американців, бачили свій порятунок в іншому типі незалежної енергетичної системи. атомній батареї. RCA, конкурент Bell Laboratories, розробила кремнієву батарею з ядерним двигуном, сподіваючись, що вона ідеально підійде для захоплення американців атомом, що зароджувалося. Замість того, щоб використовувати сонячні фотони, атомна батарея нібито працювала на фотонах, випромінюваних стронцієм 90, одним з найсмертоносніших радіоактивних матеріалів.

RCA провела драматичну презентацію у своїй штаб-квартирі Радіо-Сіті на Манхеттені: Девід Сарнофф, засновник і президент RCA, чия початкова претензія на славу полягала в тому, що він був телеграфістом, який повідомив світові: “Титанік затонув”, натиснув на клавіші факсимільного апарату, що живився від атомної батареї, щоб відправити повідомлення “атоми за мир”.” 5

Що RCA не повідомила громадськості, так це те, чому жалюзі повинні були бути закриті під час телеграфування Сарноффа. Роками пізніше один з провідних науковців проекту атомної батареї розкрив маленький брудний секрет RCA: якби кремнієвий пристрій потрапив під сонячні промені того дня, сонячна енергія пересилила б стронцій 90. А якби стронцій-90 був вилучений, батарея продовжувала б працювати лише на сонячній енергії! Директор RCA Laboratories не скупився на слова, коли наказував своїм вченим піддатися на хитрість, кажучи їм: “Кого хвилює сонячна енергія?? Подивіться, що ми маємо. це атомна енергія в дії. Це велика річ, яка приверне увагу громадськості, преси, наукової спільноти”, незважаючи на те, що сонячна батарея Белла перевершувала свого атомного конкурента в 1 мільйон разів. 6

І він мав рацію. Уряд за допомогою засобів масової інформації переконував американців мріяти про день, коли їхні будинки, автомобілі, локомотиви і навіть літаки працюватимуть на радіоактивних відходах, що утворюються в ядерних реакторах. Ілюстровані лондонські новини відгукнулися, назвавши атомну батарею “революційним винаходом, який з часом може мати такі ж далекосяжні наслідки, як і відкриття [Майклом] Фарадеєм способу виробництва електроенергії”. 7 З огляду на це, кому було потрібне сонце? На жаль, єдиним комерційним успіхом сонячної батареї Bell Solar Battery стало живлення таких новинок, як іграшки та транзисторні радіоприймачі.

Мартін Вольф, один з перших вчених, присвятивших себе фотоелектричній роботі, згадував демонстраційний стенд компанії, “де при кімнатному освітленні[іграшкові] кораблики подорожували по колу в дитячому басейні для купання. Модель літака DC-4 з чотирма електродвигунами пропелери оберталися виключно за рахунок сонячної батареї, вбудованої в крила.”8 Оскільки сонячна батарея Белла використовувалася виключно для іграшок, значна частина початкового ентузіазму, викликаного відкриттям Белла, незабаром згасла.

Сонячна батарея “Дзвін” знаходить своє місце на Сонці

Як міг Чапін, пригнічений таким поворотом подій, не задатися питанням: “Що робити з нашою новонародженою дитиною??” 9

Колега з Bell Laboratories Гордон Рейсбек не поділяв песимізму Чапіна. Він писав: “Дуже ймовірно, що сонячна батарея знайде свою найбільшу корисність у виконанні робіт, потреби в яких ми не відчували.”10 Доктор. Ганс Циглер, експерт з енергетики для U.S. Армійський корпус зв’язку, який був направлений до Bell Laboratories для оцінки нового пристрою, прийшов до аналогічного висновку. Після місяців тривалих дискусій він і його співробітники знайшли одне застосування, де сонячна батарея ідеально підходила для надсекретної програми. розробки штучного супутника Землі. 11

Звільнившись від земних обмежень сонячної радіації. а саме, несприятливих погодних умов і нічного часу доби. “операції над земною атмосферою [забезпечили б] ідеальні умови для перетворювачів сонячної енергії”. вважали в Корпусі зв’язку. Кремнієві сонячні батареї теоретично ніколи не вичерпають паливо, оскільки вони працюють на енергії сонця”. Інший варіант живлення. акумулятори. розряджаються за два-три тижні. Модульна природа фотоелектрики також означала, що елементи можуть бути пристосовані до точної потреби в енергії конкретного супутника. Не буде зайвої ваги або об’єму. Крихітний масив міг би забезпечити невелику кількість енергії, необхідну транзисторному комунікаційному обладнанню на борту супутника, не обтяжуючи при цьому корисне навантаження. Корпус зв’язку дійшов висновку: “Для більш тривалих періодів експлуатації і обмеженого допуску на вагу фотоелектричний принцип видається найбільш перспективним”.” 12

Секретність американських космічних планів закінчилася 30 липня 1955 року, коли президент Дуайт Ейзенхауер оголосив про плани Америки запустити супутник у космос. Малюнок, який супроводжував заяву Ейзенхауера на першій сторінці “Нью-Йорк Таймс”, показував, що він мав сонячне джерело енергії. 13

Цивільна наукова комісія, яка контролювала американську космічну програму, вважала, що живлення супутників за допомогою фотоелектрики є надзвичайно важливим, оскільки залежність від батарей автоматично прирікала “більшу частину бортової апаратури на активне життя лише впродовж кількох тижнів”.” Вони відзначили, що “майже всі експерименти матимуть надзвичайно велику цінність, якщо їх можна буде підтримувати в робочому стані протягом декількох місяців або більше”, і вирішили, що “вкрай важливо мати на борту систему сонячних батарей”. 14

На основі рекомендацій цивільної групи, Корпус зв’язку попросили взяти на себе відповідальність за розробку системи живлення на сонячних батареях для програми, що отримала назву “Проект Авангард”. Його співробітники швидко розробили прототип, який згрупував окремі сонячні батареї на поверхні оболонки супутника. Група розробила модулі, щоб забезпечити “механічну жорсткість проти ударів і вібрації та відповідати тепловим вимогам космічних подорожей”.”15 Щоб перевірити їхню надійність у космосі, Корпус зв’язку прикріпив кластери клітин до носових конусів двох висотних ракет. Одна ракета досягла висоти 126 миль, друга. 192 милі, обидві досить високо, щоб випробувати перипетії космосу. “В обох запусках сонячні батареї працювали бездоганно”. доповідав Зіглер на міжнародній конференції з космічної діяльності, що відбулася восени 1957 року. 16 A U.S. У прес-релізі Корпусу зв’язку армії додавалося: “Потужність була достатньою для супутникових приладів [і на них не впливала температура тертя обшивки, оскільки ракети проходили крізь атмосферу зі швидкістю понад милю на секунду]”.” 17

Авангард: Перше практичне використання сонячної батареї Bell

Перший супутник із сонячними батареями на борту вийшов на орбіту в День Святого Патріка в 1958 році. Дев’ятнадцять днів по тому, заголовок в “Нью-Йорк Таймс” розкрив цю новину: “Радіо виходить з ладу через вичерпання хімічної батареї: Радіо на сонячних батареях все ще функціонує”.Відзначаючи першу річницю запуску “Авангарду”, Корпус зв’язку повідомив громадськості, що “сонячний супутник “Авангард-1″ все ще вірно надсилає своє радіоповідомлення на Землю”.18.” 19 Станом на 16 липня 1958 року з чотирьох супутників у небі все ще передавали лише “Авангард” на сонячних батареях та “Супутник III”, який був запущений після “Авангарду” і також мав на борту сонячні батареї. Невеликий супутник “Авангард” і “Супутник III” виявилися набагато ціннішими для науки, ніж перші два “Супутники”, оснащені звичайними батареями, які замовкали після тижня перебування в космосі.

Успіх “Авангарду” і наступних супутників, що використовували транзистори в тандемі з сонячними батареями, продемонстрував синергію між цими двома нововідкритими напівпровідниковими пристроями. Транзистор дозволив створити мініатюрну і довговічну електроніку, достатньо легку для запуску корисного навантаження і достатньо надійну для середовища, де майбутнє технічне обслуговування не є можливим. Оскільки транзистор мав низьке енергоспоживання, поверхні супутника було достатньо для розміщення достатньої кількості сонячних батарей для забезпечення необхідної електроенергії, що гарантувало довговічність, необхідну для практичних космічних місій.

Успіхи Сполучених Штатів і з використанням сонячних батарей у космосі спонукали радянського вченого-космонавта Євгена Федорова передбачити в 1958 році, що “сонячні батареї в кінцевому підсумку стануть основним джерелом енергії в космосі”.” 20 подій довели, що Федоров мав рацію. Ті, хто працював із супутниками, сприйняли сонячну батарею як “один з критично важливих пристроїв у космічній програмі”, оскільки вона “виявилася єдиним практичним джерелом енергії” для супутників на певній відстані від Сонця. 21 Як лаконічно заявив контр-адмірал Роусон Беннетт, керівник військово-морських досліджень: “Важливість [сонячної] енергії полягає в тому, що супутники можуть відігравати цінну роль у веденні війни”.” 22

Супутники на сонячних батареях давали Америці точну інформацію про можливості і наміри її ворогів як на землі, так і в небі. Ці супутники могли також наводити МБР морського базування, які стали потужним засобом стримування. Радянський Союз більше не розглядав можливість нанесення нокаутуючого першого удару, знаючи, що Сполучені Штати можуть завдати удару у відповідь морським шляхом. Інша серія супутників на сонячних батареях під назвою Vela Hotel могла б виявляти ядерні вибухи на землі і в космосі. Їхні можливості верифікації зміцнили довіру, необхідну для підписання договору про заборону ядерних випробувань, життєво важливого для здоров’я і безпеки планети. 23

Нагальний попит на сонячні батареї над землею з боку військових відкрив несподіваний і відносно великий бізнес для компаній, що їх виробляють. “На власному комерційному рівні вони б нічого не досягли. зауважив доктор Лоферскі. Джозеф Лоферскі, який все життя працював у галузі фотоелектрики. 24 Дійсно, як стверджував вчений Мартін Вольф, “Початок космічної ери став порятунком для індустрії сонячних батарей”.” 25

Джон Перлін багато писав і читав лекцій з історії енергетики, зокрема, сонячної. Він є аналітиком на кафедрі фізики та директором з впровадження сонячної енергії та енергоефективності у своїй альма-матер, Каліфорнійському університеті в Санта-Барбарі.

Історія сонячної енергетики: Сонячні панелі тоді і зараз

Широке використання сонячних панелей стрімко зросло за останні десятиліття, але ідея використання енергії сонця зовсім не нова. Насправді, сонячна енергетика має довгу історію. використовували сонячну енергію з давніх-давен для створення поживних речовин, а люди почали користуватися перевагами сонячної енергії багато століть тому. Стародавні греки використовували сонячну енергію для обігріву будинків і лазень, а Леонардо да Вінчі навіть розробив сонячну систему для нагріву води в 15 столітті. Хоча сонячна енергія є найпростішою формою енергії, вона зазнала величезного прогресу за ці роки. Розуміння історії сонячної енергетики допомагає нам зрозуміти, як вона буде розвиватися.

Перші сонячні панелі

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

Перший сучасний прорив у сонячній енергетиці стався у 1839 році, коли французький фізик Едмон Беккерель відкрив фотоелектричний ефект. процес, який створює напругу або електричний струм під впливом світла. Перенесемося в 1883 рік і зробимо наступний великий стрибок у сонячній енергетиці. нью-йоркський винахідник Чарльз Фріттс створив першу сонячну батарею. Цей сонячний модуль складався з широкої тонкої селенової пластини, покритої ще більш тонким листом золота. Коефіцієнт перетворення енергії коливався від 1 до 2 відсотків, що блідне в порівнянні з сучасними сонячними елементами, які працюють з ефективністю від 15 до 20 відсотків. Тим не менш, це все ще був значний момент для сонячної енергетики і продемонстрував потенціал чистої енергії.

Хоча селен був основним компонентом сонячного елемента, винайденого Фріттсом, сучасні сонячні модулі складаються з кремнію. У 1954 році дослідники з Bell Laboratories зрозуміли, що напівпровідники, такі як кремній, є більш ефективними, ніж селен, тому вони почали створювати кремнієві сонячні елементи. Коефіцієнт перетворення енергії для цих елементів склав 6%, що значно вище, ніж у попередніх селенових елементів. Питання, однак, полягало в ціні. Для великомасштабних застосувань елементи були дорогими у виробництві. Ці фотоелектричні елементи використовувалися в супутниках і побутовій електроніці, наприклад, калькуляторах, але для багатьох людей це було занадто дорого, щоб встановити їх на дахах своїх будинків.

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

Екологічний активізм стимулює розвиток

Ситуація змінилася в 1970-х роках, коли енергетична криза змусила уряд розглянути шляхи розвитку відновлюваних джерел енергії. Тоді Конгрес прийняв Закон про дослідження, розробку та демонстрацію сонячної енергії 1974 року, щоб сприяти дослідженню та розробці сонячних технологій. Крім того, федеральний уряд почав пропонувати податкові пільги для підтримки переходу на сонячну енергію та інші відновлювані джерела енергії. У той же час, у Сполучених Штатах стався великий культурний зсув. Сучасний екологічний рух зародився, підвищуючи обізнаність про забруднення та його наслідки для людей і планети. Це допомогло людям дізнатися про переваги сонячної енергії над викопними видами палива, а її популярність стрімко зросла завдяки її впливу на навколишнє середовище.

Сонячні панелі сьогодні

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

Зараз сонячна енергія є більш доступною, ніж будь-коли. Завдяки підвищеному попиту, більш ефективному ланцюжку поставок і кращому розподілу ресурсів, сонячна енергія офіційно є найдешевшою електроенергією в історії. Зі збільшенням доступності сонячної енергії зростає і популярність технології. У 2019 році в США було встановлено 2 мільйони сонячних електростанцій. і в міру того, як сонячна енергетика продовжує розвиватися, ця кількість зростає в геометричній прогресії. Люди часто думають, що використання сонячної енергії є чимось новим, але ідея використання енергії сонця існувала століттями, а технологія сонячних панелей розвивалася десятиліттями. Оскільки ми продовжуємо стикатися з екологічними наслідками традиційних джерел енергії, сонячна енергія стане необхідним компонентом нашого майбутнього.

Дізнайтеся про сонячну енергетику

Хочете дізнатися більше про сонячну енергію?? Наша команда може відповісти на будь-яке ваше запитання про сонячну енергію, щоб ви могли з перших вуст дізнатися, чому вона стала такою популярною.

Хто винайшов сонячні панелі? Відкрийте для себе історію сонячної енергії

Девід Кухта, доктор філософії.D. має 10-річний досвід у садівництві та багато читає з історії навколишнього середовища та енергетичного переходу. Екологічний активіст з 1970-х років, він також є істориком, письменником, садівником і викладачем.

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

  • Історія
  • Подорожі
  • Стала мода
  • Мистецтво Медіа
  • Свята
  • Спільнота

До того, як перші сучасні сонячні панелі були винайдені в Bell Laboratories в 1954 році, історія сонячної енергетики була однією з тих, що рухалися окремими винахідниками і вченими. Потім космічна та оборонна промисловість визнали її цінність, і до кінця 20 століття сонячна енергія стала багатообіцяючою, але все ще дорогою альтернативою викопним видам палива. У 21 столітті ця галузь досягла повноліття, перетворившись на зрілу і недорогу технологію, яка швидко витісняє вугілля, нафту і природний газ на енергетичному ринку. Ця хронологія висвітлює деякі з основних першопрохідців та подій у розвитку сонячної енергетики.

Епоха Великих географічних відкриттів (19. початок 20 століття)

У середині 19-го століття фізика процвітає завдяки експериментам з електрики, магнетизму та вивченню світла, а також іншим проривам. Основи сонячної енергії є частиною цього відкриття, оскільки винахідники та вчені заклали основу для більшої частини подальшої історії цієї технології.

1839: У віці 19 років француз Александр-Едмон Беккерель створює перший у світі фотоелектричний елемент у лабораторії свого батька. Його дослідження світла та електрики надихають на подальші розробки в галузі фотоелектрики. Сьогодні премія Беккереля присуджується щорічно Європейською конференцією та виставкою з фотоелектричної сонячної енергетики.

1861: Математик і фізик Огюст (або Огюстен) Мушо патентує двигун на сонячних батареях.

1873: Інженер-електрик Віллоубі Сміт відкриває фотоелектричний ефект у селені.

Що таке фотоелектричний ефект?

Фотоелектричний ефект. ключ до сонячної фотоелектричної технології. Поєднання фізики та хімії, фотоелектричний ефект виникає, коли електричний струм створюється в матеріалі під впливом світла.

1876: W. G. Адамс, професор натуілософії Королівського коледжу в Лондоні, відкриває “зміну електричного опору селену під впливом променистого тепла, світла або хімічної дії”.”

1882: Абель Піфре будує “сонячний двигун”, який виробляє достатньо електроенергії для живлення його сонячного друкарського верстата, який він демонструє в садах Тюїльрі в Парижі, Франція (на фото нижче).

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

1883: Винахідник Чарльз Фріттс розробляє перший сонячний елемент з використанням селену, покритого золотом. Ефективність перетворення сонячного випромінювання в електрику становить менше одного відсотка.

1883: Винахідник Джон Еріксон розробляє “сонячний двигун”, який використовує параболічну конструкцію жолоба (PTC) для фокусування сонячного випромінювання для роботи парового котла. PTC досі використовується в сонячних теплових електростанціях.

1884: Чарльз Фріттс встановлює сонячні панелі на даху будинку в Нью-Йорку.

1903: Компанія Solar Motor Company підприємця Обрі Енеаса починає продаж парових двигунів на сонячних батареях для іригаційних проектів у Пасадені, штат Каліфорнія. Компанія невдовзі зазнає краху.

1912-1913: Компанія Sun Power Company інженера Френка Шумана використовує PTC для будівництва першої у світі сонячної теплової електростанції.

Епоха порозуміння (кінець 19. початок 20 століття)

Поява сучасної теоретичної фізики допомагає створити основу для кращого розуміння фотоелектричної енергії. Квантова фізика описує субатомний світ фотонів та електронів, розкриваючи механіку того, як пакети світла, що надходять, порушують електрони в кремнієвих кристалах, щоб генерувати електричний струм.

1888: Фізик Вільгельм Халлвахс описує фізику фотоелектричних елементів у тому, що зараз відомо як ефект Халлвахса.

1905: Альберт Ейнштейн публікує статтю “Про евристичний погляд на виробництво та перетворення світла”, в якій пояснює, як світло створює електричний струм, вибиваючи електрони з атомів деяких металів.

1916: Хімік Ян Чохральський винайшов метод створення монокристалів металу. Це стає основою для створення напівпровідникових пластин, які досі використовуються в електроніці, включаючи сонячні елементи.

1917: Альберт Ейнштейн теоретично обґрунтував фотоелектрику, ввівши поняття про те, що світло діє як пакети, що несуть електромагнітну силу.

1929: Фізик Гілберт Льюїс вводить термін “фотони” для опису ейнштейнівських пакетів електромагнітної енергії.

Епоха розвитку (середина 20 століття)

Серйозні дослідження з розвитку сонячної енергетики, засновані на винаході монокристалічних кремнієвих сонячних елементів, виходять за межі лабораторії. Як і багато інших технологій, сонячна енергетика з’являється в результаті досліджень, проведених на замовлення уряду США.S. оборонної та космічної галузей, а її перше успішне використання. у супутниках та дослідженні космосу. Ці приклади демонструють ефективність сонячної енергії, хоча більшість технологій все ще надто дорогі для комерційного використання.

1941: Інженер Bell Laboratories Рассел Ол подає патент на перший монокристалічний кремнієвий сонячний елемент.

1947: Пасивні сонячні будинки стають популярними через післявоєнний дефіцит енергії.

1951: Створено сонячні елементи з германію.

1954: Bell Laboratories випускає перший ефективний кремнієвий сонячний елемент. Хоча ці елементи були слабкими порівняно з сучасними, вони стали першими, які змогли генерувати значні обсяги електроенергії. з ефективністю близько 4%.

1955: Здійснено перший телефонний дзвінок на сонячних батареях.

1956: General Electric представляє перше радіо на сонячних батареях. Вона може працювати як вдень, так і вночі.

1958: Vanguard I. перший космічний корабель на сонячних батареях.

1960: Автомобіль з дахом із сонячних панелей та 72-вольтовою батареєю їздить по Лондону, Англія.

1961: Організація Об’єднаних Націй спонсорує конференцію з використання сонячної енергії в країнах, що розвиваються.

1962: 3600 елементів з Bell Laboratories живлять Telstar, перший супутник зв’язку на сонячних батареях.

1967: Радянський космічний корабель “Союз-1” став першим космічним кораблем на сонячних батареях, який доставив людину на орбіту.

1972: На ринку з’являється годинник на сонячних батареях Synchronar 2100.

Хто винайшов сонячні панелі?

Чарльз Фріттс був першою людиною, яка виробляла електроенергію за допомогою сонячних панелей у 1884 році, але пройшло ще 70 років, перш ніж вони стали достатньо ефективними, щоб бути корисними. Перші сучасні сонячні панелі, з все ще мізерною ефективністю 4%, були розроблені трьома дослідниками з Bell Laboratories. Дерілом Чапіном, Джеральдом Пірсоном і Келвіном Фуллером. Ці три піонери стояли на плечах свого попередника з Bell Labs Рассела Ола, який відкрив, як кристали кремнію поводяться як напівпровідники під впливом світла.

Епоха зростання (кінець 20-го століття)

Енергетична криза початку 1970-х років стимулює першу комерціалізацію сонячних технологій. Дефіцит нафти в індустріально розвинених країнах призводить до повільного економічного зростання та високих цін на нафту. У відповідь на це було розроблено програму U.S. Уряд створює фінансові стимули для комерційних і побутових сонячних систем, науково-дослідних інститутів, демонстраційних проектів з використання сонячної електроенергії в урядових будівлях, а також регуляторну структуру, яка підтримує сонячну промисловість і сьогодні. Завдяки цим стимулам вартість сонячних панелей знизилася з 1,865 грн/ват у 1956 році до 106 грн/ват у 1976 році (у перерахунку на долари 2019 року).

1973: Нафтове ембарго, запроваджене арабськими країнами, призвело до зростання цін на нафту на 300%.

1973: Університет штату Делавер будує Solar One. першу будівлю, що працює виключно на сонячній енергії.

1974: Демонстраційний закон про сонячне опалення та охолодження закликає до використання сонячної енергії у федеральних будівлях.

1974: Засновано Міжнародне енергетичне агентство для вивчення та прогнозування енергетичних ринків.

1974: U.S. Адміністрація з досліджень та розвитку енергетики (ERDA) створена з метою сприяння комерціалізації сонячної енергетики.

1974: Створено Асоціацію галузей сонячної енергетики (SEIA), яка представляє інтереси сонячної індустрії.

1977: Конгрес США заснував Інститут досліджень сонячної енергії. Зараз це Національна лабораторія відновлюваної енергетики (NREL).

1977: Світове виробництво фотоелектричних елементів перевищило 500 кВт.

1977: У США з’явився перший космічний корабель на сонячних батареях.S. Створено Міністерство енергетики.

1978: Закон про політику регулювання комунальних послуг (PURPA) від 1978 року закладає основу для чистого обліку, вимагаючи від комунальних підприємств купувати електроенергію у “кваліфікованих об’єктів”, які відповідають певним стандартам щодо джерел енергії та ефективності.

1978: Закон про податок на енергію створює інвестиційний податковий кредит (ITC) та житловий енергетичний кредит для стимулювання придбання сонячних систем.

1979: Іранська революція перериває експорт нафти з Близького Сходу, що призводить до зростання цін на нафту.

1979: U.S. Президент Джиммі Картер встановлює сонячні панелі на даху Білого дому, пізніше демонтовані президентом Рональдом Рейганом.

1981: За фінансової підтримки США та Саудівської Аравії введено в експлуатацію першу концентруючу фотоелектричну систему.

1981: Solar Challenger стає першим у світі літаком на сонячних батареях, здатним літати на великі відстані.

1981: У пустелі Мохаве поблизу Барстоу, штат Каліфорнія, завершено пілотний проект Solar One. сонячну теплову електростанцію на сонячних батареях.S. Міністерство енергетики США.

1982: Побудовано першу масштабну сонячну електростанцію поблизу міста Гесперія, Каліфорнія.

1982: Муніципальний комунальний округ Сакраменто вводить в експлуатацію свою першу сонячну електростанцію.

1985: Центр фотоелектричної інженерії Університету Нового Південного Уельсу в Австралії створив кремнієві фотоелементи, які можуть досягати 20% ефективності.

1985: Розроблено літій-іонні акумулятори, які згодом почали використовувати для зберігання відновлюваної енергії.

1991: Перші літій-іонні батареї досягли комерційного виробництва.

1992: Конгрес США затвердив інвестиційний податковий кредит на постійній основі.

2000: Німеччина створює програму “зелених” тарифів для стимулювання сонячної енергетики.

Що таке “зелений” тариф?

Зелений тариф. це урядова програма, яка гарантує виробникам відновлюваної енергії ціни, вищі за ринкові, і зазвичай передбачає довгострокові контракти, щоб дати інвесторам впевненість у розвитку нових технологій на ранніх стадіях, до того, як вони стануть комерційно спроможними.

Епоха зрілості (21 століття)

історія, розвиток, фотовольтаїки, сонячна, батарея

З дорогої, але науково обґрунтованої технології, сонячна енергія завдяки постійній державній підтримці стала найдешевшою енергією в історії. Її успіх відповідає S-подібній кривій, де початкове зростання технології є повільним і забезпечується лише першими прихильниками, а потім відбувається вибухове зростання, оскільки економія на масштабах виробництва дозволяє знизити виробничі витрати і розширити ланцюги поставок. Якщо у 1976 році сонячні модулі коштували 106 Вт/Вт (у доларах 2019 року), то у 2019 році вони впали до 0.38 грн/Вт у 2019 році, причому 89% цього падіння відбулося з 2010 року.

2001: Home Depot починає продавати домашні сонячні електростанції.

2001: У Китаї засновано компанію Suntech Power, яка стає світовим лідером у галузі сонячної енергетики.

2006: Каліфорнійська комісія з комунальних послуг затверджує Каліфорнійську сонячну ініціативу для стимулювання розвитку сонячної енергетики.

2008: NREL встановлює світовий рекорд ефективності сонячних батарей на рівні 40.8%.

2009: Засновано Міжнародне агентство з відновлюваних джерел енергії (IRENA).

2009: Американський закон про відновлення та реінвестування (ARRA) надає 90 мільярдів доларів інвестицій в екологічно чисту енергетику та податкові пільги, включаючи субсидії та кредитні гарантії для проектів сонячної енергетики.

2009: Китай запроваджує “зелені” тарифи для стимулювання зростання сонячної енергетики.

2010: U.S. Президент Барак Обама перевстановлює сонячні панелі та сонячний водонагрівач у Білому домі.

2011: Банкрутство та інвестиційне фіаско компанії Solyndra сповільнює зростання сонячної енергетики.

2013: Світова потужність сонячних фотоелектричних установок перевищила 100 гігават.

2015: Tesla представляє літій-іонну батарею Powerwall, що дозволяє власникам сонячних електростанцій на дахах зберігати електроенергію.

2015: Китай стає світовим лідером за встановленою потужністю сонячних систем, випереджаючи Німеччину.

2015: Google запускає проект Sunroof, щоб допомогти домовласникам оцінити доцільність встановлення сонячних панелей на даху.

2016: Кількість сонячних установок у Сполучених Штатах досягає мільйона.

2016: Solar Impulse 2 здійснив перший навколосвітній політ з нульовим рівнем викидів.

2016: Лас-Вегас, штат Невада, стає найбільшим міським органом влади в Америці, який повністю працює на відновлюваній енергії, в тому числі від сонячних панелей на деревах перед мерією.

2017: Сонячна промисловість забезпечує зайнятість більшої кількості людей у виробництві електроенергії в США.S. більше, ніж галузі викопного палива.

2019: Перша морська плавуча сонячна електростанція встановлена в голландському Північному морі.

2020: Побудувати нову сонячну електростанцію дешевше, ніж продовжувати експлуатувати існуючу вугільну електростанцію.

2020: Каліфорнія вимагає, щоб усі нові будинки мали сонячні панелі.

2020: Міжнародне енергетичне агентство заявляє, що “сонячна енергетика. новий король ринків електроенергії.”

2021: Apple, Inc. оголошує, що будує найбільшу у світі літій-іонну батарею для зберігання енергії від своєї сонячної електростанції в Каліфорнії потужністю 240 мегават-годин.

Хоча перший у світі офіційний фотоелектричний елемент був створений французом Олександром-Едмоном Беккерелем у 1839 році, ця концепція не прижилася в США.S. поки Bell Laboratories не розробила перший сонячний елемент, здатний перетворювати сонячну енергію на електрику, у 1954 році.

Перший об’єкт під назвою сонячна панель, виготовлений у 1883 році нью-йоркським винахідником Чарльзом Фріттсом, був виготовлений шляхом покриття селену, мінералу, що міститься в ґрунті, золотом.

  • Шарма, Шруті та ін. Сонячні елементи: Дослідження та застосування. огляд. Матеріалознавство та застосування, том. 6, ні. 12, 2015, 1145-1155., doi:10.4236/msa.2015.612113
  • Адамс, В. G. і R. E. День. Дія світла на селен. [Анотація]. Proceedings of the Royal Society of London, vol. 25, 1876, сс. 113-117.
  • Ейнштейн, Альберт. “З евристичної точки зору щодо виробництва та перетворення світла.” Annalen der Physik, vol. 17, 1905, с. 132-148.
  • Bukowski, A. Кристали кремнію, вирощені методом Чохральського, для мікроелектроніки. Acta Physica Polonica A, vol. 124, no. 2, 2013, с. 235-238., doi:10.12693/APhysPolA.124.235
  • Історія сонячної енергетики. U.S. Міністерство енергетики.
  • Доррієр, Джейсон. Чому ціна на нову сонячну електроенергію впала на неймовірні 89% за останнє десятиліття. Singularity Hub, 2020.
  • Фармер, Дж. Дойн і Франсуа Лафонд. Наскільки передбачуваним є технологічний прогрес? Дослідницька політика, том. 45, no. 3, 2016, стор. 647-665., doi:10.1016/j.респол.2015.11.001
  • Фраас, Льюїс М. Дешева сонячна електроенергія. Springer International Publishing, 2014.
  • Грін, Мартін А. Сорок років фотоелектричних досліджень в UNSW. Журнал і праці Королівського товариства Нового Південного Уельсу, vol. 148, немає. 455-456, 2015, стор. 2-14.
  • Сонячна батарея NREL встановила світовий рекорд ефективності на рівні 40.8%. Національна лабораторія відновлюваної енергетики, 2008 рік.
  • Відновлювані джерела енергії стали сильнішими, ніж будь-коли, під час пандемії. Міжнародне енергетичне агентство, 2021.

Залишити відповідь