Jak działają baterie słoneczne? - Richard Komp

Zobacz całą lekcję na: https://ed.ted.com/lessons/how-do-solar-panels-work-richard-komp

Do Ziemi dociera mnóstwo energii słonecznej: 173 000 terawatów. Przekracza to zapotrzebowanie całej ludzkości ponad 10 tysięcy razy. Czy pewnego dnia będziemy mogli polegać tylko i wyłącznie na energii słonecznej? Richard Komp wyjaśnia, jak baterie słoneczne przekształcają energię słoneczną w elektryczną.

Lekcja: Richard Komp, animacja: Globizco.

Do Ziemi dociera
mnóstwo energii słonecznej,

173 tysiące terawatów.

To 10 tysięcy razy więcej,
niż zużywa cała ludzkość.

Czy pewnego dnia

będzie można polegać
wyłącznie na energii słonecznej?

Aby odpowiedzieć na to pytanie,
trzeba przyjrzeć się sposobowi,

w jaki baterie słoneczne przekształcają
energię słoneczną w elektryczną.

Baterie słoneczne składają się
z ogniw słonecznych.

Najczęściej ogniwa wykonuje się z krzemu,

półprzewodnika

i drugiego najpowszechniejszego
pierwiastka na Ziemi.

W ogniwie słonecznym

krystaliczny krzem umieszczony jest
między dwiema płytkami przewodzącymi prąd.

Każdy atom krzemu łączy się
z sąsiadami przez cztery silne wiązania,

co utrzymuje elektrony w jednym miejscu,
więc prąd nie może płynąć.

Oto odpowiedź.

Ogniwo krzemowe wykorzystuje
dwie różne warstwy silikonu.

Krzem typu n ma dodatkowe elektrony,

a krzem typu p ma dodatkowe miejsca
dla elektronów, zwane dziurami.

Tam, gdzie spotykają się dwa typy krzemu,

elektrony mogą przechodzić
przez złącze p-n,

zostawiając dodatni ładunek
po jednej stronie

i tworząc ujemny po drugiej.

Światło przypomina
strumień małych cząstek,

zwanych fotonami

i wystrzeliwanych ze Słońca.

Kiedy jeden z nich dostatecznie silnie
uderza w ogniwo krzemowe,

wyrzuca z wiązania elektron
i zostawia po sobie dziurę.

Ujemnie naładowany elektron
i dodatnio naładowana dziura

mogą się swobodnie przemieszczać.

Jednak ze względu
na pole elektryczne w złączu p-n

elektrony krążą tylko w jednym kierunku.

Elektron jest przyciągany do obszaru n,

natomiast dziura do obszaru p.

Poruszające się elektrony są gromadzone
przez metalową płytkę na górze ogniwa.

Stąd mogą krążyć przez zewnętrzny obwód,

wykonując elektryczną pracę,

jak dostarczanie żarówce energii.

Następnie wracają przez przewodzącą
warstwę glinu na spodzie ogniwa.

Każde ogniwo ma tylko 0,5 wolta,

ale można połączyć je w moduły,
by uzyskać więcej energii.

12 ogniw fotowoltaicznych wystarczy,
by naładować telefon,

ale potrzeba ich więcej,
by dostarczyć energię dla całego domu.

Elektrony są tu jedynymi
ruchomymi elementami

i wracają do pierwotnego położenia.

Nic się tu nie zużywa ani nie wyczerpuje,

więc z ogniw można korzystać długie lata.

Co powstrzymuje nas od korzystania
wyłącznie z energii słonecznej?

W grę wchodzą czynniki polityczne,

nie wspominając o lobbingu biznesów,
którym zależy na utrzymaniu status quo.

Zacznijmy jednak od fizycznych
i logistycznych wyzwań,

z których najbardziej oczywisty jest fakt,

że energia słoneczna
jest dostarczana do Ziemi nierówno.

Tylko niektóre rejony są nasłonecznione.

I to nie zawsze.

W pochmurne dni lub w nocy
dysponujemy mniejszą ilością energii.

To oznacza, że wyłączny użytek wymagałby

skutecznych sposobów przenoszenia energii
ze słonecznych do pochmurnych dni,

a także wydajnego przechowywania energii.

Problemem jest również
wydajność samego ogniwa.

Jeśli promienie są odbijane,
a nie pochłaniane,

lub wyrzucone elektrony wracają do dziur,
nie przepływając przez obwód,

energia fotonu zostaje zmarnowana.

Najwyższa obecnie wydajność ogniw

pozwala na przemianę na prąd
tylko 46% docierających promieni,

a większość sprzedawanych systemów
osiąga wydajność od 15% do 20%.

Pomimo tych ograniczeń

zasilanie całego świata
technologią solarną jest możliwe.

Potrzebne są pieniądze,
by stworzyć infrastrukturę,

a także ogromna przestrzeń.

Szacunki wahają się od dziesiątek
do setek tysięcy kilometrów kwadratowych.

Wydaje się to dużo,

ale sama Sahara ma prawie
9 milionów kilometrów kwadratowych.

Ogniwa słoneczne stają się lepsze, tańsze

i mogą konkurować
z sieciami energetycznymi.

Innowacje, jak pływające farmy słoneczne,
mogą całkowicie zmienić krajobraz.

Wyobrażenia lepiej odłożyć na bok.

Faktem jest, że ponad miliard ludzi

nie ma dostępu do sprawnych
sieci energetycznych,

szczególnie w krajach rozwijających się,

choć większość z nich jest słoneczna.

W tych miejscach

energia słoneczna jest tańsza
i bezpieczniejsza niż inne alternatywy,

takie jak nafta.

Jednak dla Finlandii lub Seattle

energetyka słoneczna może być
wciąż trochę nieodpowiednia.