Солнечная энергетика

История использования солнечной энергии началась с открытия возможности преобразования энергии солнечного света в электрическую энергию, что доказали опыты Антуана - Сезара Беккереля в 1839 году, когда автор впервые продемонстрировал прототип современной солнечной батареи. Устройство оказалось с очень низким коэффициентом полезного деййствия не превышающим 1%, но идея оказалась интересной для учёных и поиски более продуктивной солнечной батареи были продолжены.

В 1873 году американскому учёному Чарльзу Фриттсу удалось выявить чувствительность селена к свету, а спустя четыре года определить, что селен под действием лучей солнца вырабатывает электрический ток, а ещё через три года создать первую рабочую фотогальваническую ячейку, для изготовления которой использовал покрытый золотом селен. Производительность ячейки также составила 1%.

Первые в мире солнечные батареи на базе этих элементов были установлены на крыше одного дома в Нью-Йорке в 1884 году, но очень высокая стоимость таких ячеек препятствовала массовому внедрению солнечных батарей.

В 1876 году английский профессор Уильям Гриллс Адамс и его ученик Ричард Эванс Дей наблюдали фотогальванический эффект при воздействии света на селен, и хотя попытки получить достаточное количество электроэнергии для работы какого-либо оборудования, не удалось, но они доказали возможность выработки электроэнергии твердыми элементами под воздействием солнца и предложили идею создания фотогальванической ячейки. Адамс и Ричард Эванс Дей обнаружили , что освещая соединение между селеном и платиной имеет фотоэлектрический эффект, поэтому электричество может быть произведено от света без двигающихся частей, что привело к созданию современной солнечной батареи.

В 1905 году Альберт Эйнштейн теоретически обосновывал возникновение фотоэлектрического эффекта, объясняя, что свет содержит пакеты энергии, которые он назвал "квантами света", которые физики называют фотонами. Эйнштейн объяснил, как фотоны могут генерировать электроэнергию, за что он получил в 1921 году Нобелевскую премию за "вклад в теоретическую физику, и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта".

Первый прорыв в разработках солнечных батарей относится к 1954 году, когда Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кэл Фуллер изготовили кремниевый солнечный элемент и его производительность возрасла с 1 до 4%, поскольку кремний оказался лучше селена по уровню продуктивности и позже она повысилась до 15%.
В начале разработок солнечные батареи использовались в сельских районах, где были проблемы с инженерными коммуникациями, а затем они получили массовое применение в развитых странах мира с целью получения дешёвой электроэнергии.
Преобразующие устройства позволяют заметно её удешевить, обеспечивая бесперебойное снабжение энергией, поэтому солнечные батареи используют частные дома, фермерские хозяйства, коммерческие организации и в промышленность.
До 1954 года применение концентрации солнечного света в отдельном месте использовалось довольно давно, но только в качестве фотоэлектрического эффекта.
Солнечная энергетика появилась, когда учёные из Bell Labs предложили технологию получения кремниевой фотовольтаической ячейки. Сотрудники Bell Labs Дэрил Чапин, Кальвин Фуллер и Джеральд Пирсон добились 6% -ной эффективности первой кремниевой ячейки и вскоре после этого солнечные панели были использованы для питания спутников, вращающихся вокруг Земли.
В 1958 году Vanguard I был запущен с шестью солнечными батареями мощностью около 1 Вт.
Лаборатории в некоторых стран мира продолжают исследования по повышению эффективности фотовольтаических ячеек, но коммерциализация научных достижений шло очень медленно и только в 1963 году Sharp успешно начала промышленное производство солнечных батарей, позволившее сделать доступным использование солнечных батарей не только для космической области, но и обычных потребителей.

Значительный интерес к солнечной энергии проявился только после нефтяного кризиса 1973 года, когда нехватка топлива заставила большой бизнес вкладывать деньги в исследования солнечной энергии. Доктор Эллиот Берман, финансируемый корпорацией Exxon, разрабатал более дешевую солнечную панель, цена которой снизилась со 100 до 20 долларов за ватт, в результате того, что использование в производстве солнечных батарей поликристаллов обходится гораздо дешевле, чем монокристаллов, но при этом снижаетсяэффективность.

В 1974 году была создана Ассоциация солнечной энергетики (SEIA), которая работала в области разработки, внедрения и продвижения солнечной энергетики в США с целью формирования эффективной подотрасли солнечной энергетики, а в 1977году Министерство энергетики США создало Исследовательский институт солнечной энергии, который позже был преобразован в Национальную лабораторию возобновляемой энергетики (NREL), которая финансировалась конгрессом США.

В 1980 году первой крупной компанией мощностью 1 мегаватт солнечных панелей в год была ARCO Solar, а а двумя годами позже в Калифорнии компания построила первую солнечную электростанцию мощностью 1 мегаватт. После многоразовых слияний и поглощений, ARCO превратилась в корпорацию SolarWorld.

В 1986 году ARCO Solar разработала первый коммерческий тонкоплёночный солнечный модуль из аморфного кремния, а в 1992 году эффективность тонкоплёночных солнечных модулей учёные довели до 15,9%, используя в конструкции модуля теллурид кадмия. В настоящее время достигнут КПД до 22%.

й 1993 создана первая американская компания Pacific Gas & Electric, обеспечивающая поддержку централизованной энергосети за счёт солнечной энергии, производимой на электростанции в Кермане (Калифорня) мощностью 500 кВт.

Изобретатель и учёный Субенду Гуха изобрёл в 1998 году первый гибкий тонкопленочный фотоэлектрический модуль, который он назвал "дранкой", который можно использовать в строительстве зданий с интегрированными системами солнечной генерации.

С начала XXI века солнечная энергетика приобретает черты всё большее значение в энергобалансе отдельных стран. В 2000 году мощность солнечных станций в мире составила более 1 гигаватт, а к 2008 году только в США она достигла 1ГВт и в 2015 году более 25 ГВт.
Компания First Solar открыла крупнейшую в мире фабрику по производству солнечных батарей мощностью 100 МВт в год, в то время каак до 2005 года мощность производства не превышала 25 МВт.

Компания BP и BP Solar открывают в 2001 году первую заправочную станцию BP Connect в Индианаполисе, использующую полупрозрачные гибкие солнечные модули в качестве крыши и навесов.
Компания Powerlight (которая была в 2006 году приобретена SunPower) установила на крыше тюрьмы Санта-Рита в Дублине (Калифорния), солнечную электростанцию мощностью 1,18 МВт, крупнейшую в США, и четвёртую в мире, которая покрывала до 30% потребностей тюрьмы в электроэнергии.
Североамериканский совет энергетиков (NABCEP) создал в 2002 году некоммерческую организацию для поддержки программ сертификации солнечной энергии. Первый экзамен на соответствие "NABCEP Solar PV Installation Professional" был проведён в 2003 году.
Первая конференция и выставка по солнечной энергетике (названная позднее Solar Power International) была проведена в Сан-Франциско в 2004 году.
Компания Nanosolar в 2007 году начала продажу первых коммерческих тонкопленочных модулей CIGS, которая была самой дешевой солнечной панелью в мире - её стоимость составляла 99 центов за 1 ватт.
Компания Enphase в 2006 году выпустила первый коммерческий солнечный сетевой микроинвертер.
В 2010 году среди производителей солнечных панелей получила большую популярность компания Zep Solar, основанная на особой инновационной системе крепления солнечных батарей, что мотивировало компанию SolarCity купить Zep Solar в 2013 году.

В 2011 году Департамент энергетики США установил "зелёный тариф" на произведённую и поставляемую в центральную энергосеть, энергию по 10 центов за 1 кВтч для домохозяйств, 8 центов за 1 кВтч для коммерческих зданий и 6 центов для сетевых солнечных электростанций, с целью повышения конкурентоспособности солнечной энергетики к 2020 году.
К 2015 году рынок установок "домашних" солнечных электростанций в США достигает 2 ГВт в год, а их общий объём превышает 20 ГВт.
Google запускает проект Project Sunroof, использующий спутниковые снимки для анализа и принятия решений по размещению солнечных панелей на крышах (в пределах США).
В апреле 2016 года установлен миллионный массив солнечных панелей в США. К 2018 этот объём удвоился.
Производственные мощности солнечных электростанций в США достигли 14,625 МВт в год, что на 95% превысило показатель 2015 года (7,493 МВт). В 2016 году каждый следующий мегаватт солнечной энергии подключался к сети каждые 36 минут.
В 2017 годустоимость солнечных панелей снизилась до рекордно-низкого уровня. Общая стоимость систем для жилых зданий составляет 2,8 $ за 1 Вт.

Сама солнечная панель состоит из соединенных между собой фотоэлементов, которые делятся на рамочные и безрамные. Рамы изготавливают из алюминия. В основе модулей, расположенных на металлической основе, лежит два вида кремния, отличающихся физическими свойствами. На этих пластинах располагаются металлические ребра жесткости, сверху - прозрачное стекло.
Устройство солнечной батареи довольно простое и состоит из:

• аккумулятора, накапливающего преобразованную фотоэлементами энергию, который необходим для обеспечения постоянного энергоснабжения в пасмурную погоду и холодное время года;
• контроллера заряда - распределяет потоки электрической энергии, поддерживает стабильное напряжение на выходе;
• инвертора-преобразователя постоянного тока, получаемого от установки, в переменный;
• стабилизатора напряжения - для оптимальных показателей напряжения в системе.
  Принцип работы солнечной батареи и конструкции модулей требует двух типов полупроводников, показанных на схеме.
  
  Элементы солнечных батарей изготавливают из материалов, преобразующих солнечный свет в электричество. Фотоэлектрическая батарея состоит из нескольких модулей, электрически и механически соединенных между собой. Каждый солнечный модуль - это устройство, состоящее из нескольких фотоэлектрических элементов и выходных клемм для подключения электроприёмников. Фотоэлектрический элемент состоит из 2-х пластин полупроводникового материала. Основную часть батарей изготавливают из чистого кремния. На одну пластину, с целью придания ей свойств проводника отрицательных зарядов (n-область), наносят бор, а вторую, с целью создания проводника положительных зарядов, покрывают фосфором (р – область).
  Под воздействием солнечных лучей в зоне соприкосновения двух пластин возникает электродвижущая сила, способная создавать электрический ток во внешнем контуре, электрически соединенном с р- и n-областями (верхняя и нижняя часть пластины). Для снятия тока с батарей их пропаивают тонкими полосами меди. Спаянные друг с другом пластины ламинируют, а затем закрепляют на стекле. Для придания конструкции прочностных свойств соединенные пластины размещают в алюминиевую раму.
  По уровню популярности наибольшее распространение получили кремниевые моно- и поликристаллические панели, у которых КПД находится в пределах 15-20%.
  Монокристаллические более надежны, работают стабильно, окупаются за 2 года. Более совершенны, но дороже поликристаллических;
  Поликристаллические менее стабильны, проще в производстве, дешевле, окупаются за 3 года.

У кремниевых батарей появился ряд конкурентов - тонкопленочные панели представлены тремя видами неорганических пленочных солнечных элементов:

• кремниевые плёнки на базе аморфного кремния (a-Si) с КПД 10%. Светопоглощение хорошее, устройства функционируют на прием лучей даже в пасмурную погоду, они эластичны и долговечны;
• пленки из теллурида кадмия (CdTe) с КПД 10-11%. Материал характеризуется хорошим светопоглощением, есть информация о ядовитости вещества, но исследования показывают, что количество частиц, которое попадает в атмосферу, абсолютно безопасно для человека и окружающей среды;
• плёнки селенида меди-индия-галлия (CuInGaSe2, или CIGS) с КПД 12-13%. Индий применяют в производстве жидкокристаллических мониторов, поэтому и заменяют часто галлием.

Самые крупные производители и поставщики солнечных батарей:

• Suntech - китайская компания производит солнечные панели высокого качества. Работает с 2001 года, имеет представительства во многих развитых странах мира - Японии, Германии, США;
• Yingli - крупная китайская корпорация, занимающаяся производством фотомодулей. Работает с 1998 года, с 2003 года выпускает панели мощностью до 2 МВт. В 2012 и 2013 годах компания стала лидером по объёмам производства в своей области;
  
• Trina Solar - входит в число лидеров по производству преобразовательных панелей. Главный офис и завод находятся в Китае, работает с 1997 году. Кроме Китая заводы фирмы работают в Таиланде и Вьетнаме;
• First Solar - американская компания, основанная в 1990 году, производит панели и обеспечивает профильные заводы специальным оборудованием, предоставляет услуги по обслуживанию производственных мощностей, участвует в переработке исчерпавших ресурс модулей;
• Sharp Solar - подразделение крупной японской корпорации, занимающееся производством панелей, продукция отличается качеством, надежностью и продолжительным ресурсом, благодаря чему ценится потребителем.