Як працюють сонячні батареї? - Річард Комп

Дивіться повний урок на: https://ed.ted.com/lessons/how-do-solar-panels-work-richard-komp

Земля поглинає чимало сонячної енергії: 173 000 теравати. Це в десять тисяч разів більше сонячної енергії, ніж її використовує населення планети. Чи можливо зробити так, щоб світ використовував виключно сонячну енергію? Річард Комп досліджує, як сонячні батареї перетворюють сонячну енергію на електричну.

Урок підготував Річард Комп, анімацію створив Globizco.

Земля поглинає чимало
сонячної енергії.

173 тисячі терават.

Це в десять тисяч разів більше енергії,
ніж використовує населення нашої планети.

Тож чи можливо,
що одного дня

світ повністю перейде
на сонячну енергію?

Щоб відповісти на це запитання,

потрібно дізнатись, як сонячні панелі
перетворюють енергію Сонця на електричну.

Сонячні панелі зроблено з маленьких частин
під назвою фотоелементи.

Більшість фотоелементів
зроблено з кремнію,

напівпровідника, другого найпоширенішого
елемента на Землі.

У фотоелементі

кристалічний кремній затиснуто
між двома провідниками.

Кожен атом кремнію зв'язаний
із сусідніми чотирма зв'язками,

які тримають електрон на місці,
щоб не тік струм.

Ось відповідь:

кремнієвий сонячний елемент
використовує два різних шари кремнію.

Кремній n-типу
має додадкові електрони,

кремній p-типу має додатковий простір
для електронів, певні отвори.

Коли зустрічаються два типа кремнію,

електрони бродять
по вісі p/n,

залишаючи позитивний заряд
на одній стороні

і створюючи негативний
на іншій.

Ви можете уявляти світло
потоком дрібних частинок,

так званих фотонів,

які вилітають із Сонця.

Коли один із цих фотонів
б'є атом кремнію із достатньою силою,

то може вибити електрон,
де залишиться отвір.

Негативно заряджений електрон та
місце позитивного зарядженого отвору

тепер можуть вільно кружляти.

Та через електричне поле осі p/n

вони йтимуть лише одним шляхом.

Електрон переходить до n-сторони,

тоді як отвір переходить
до p-сторони.

Мобільні електрони збираються тонкими
металевими пальцями угорі клітини.

Звідти вони проходять
зовнішнє коло,

даючи електрику,

тобто запалюють лампочку,

потім повертаються через
провідні алюмінієві листи ззаду.

Кожен кремнієвий елемент
дає тільки піввольта,

та ви можете скласти їх разом у модулі
щоб добути більше енергії.

Дванадцяти фотоелементів буде достатньо,
щоб зарядити мобільний телефон,

та потрібно багато модулів
для живлення всього будинку.

Електрони - це лише дві рухомі частинки
в сонячному елементі,

і вони повертаються туди,
звідки вийшли.

Там немає нічого, що могло б
зноситись,

тож сонячні батареї будуть працювати
десятиліттями.

Що ж заважає нам
повністю зосередитись на сонячній енергії?

У грі присутні політичні фактори,

не кажучи про бізнес, який намагається
підтримувати статус кво.

Та зосередьмося на фізичних
та матеріально-технічних проблемах:

найбільш очевидним є те,

що сонячна енергія
нерівномірно розподілена по нашій планеті.

У деяких місцевостях більше сонця.

Крім того, вона непостійна.

Сонячної енергії менше дістається
в хмарні дні чи вночі.

Таким чином, загальна залежність
вимагатиме

ефективних способів передачі енергії
від сонячних місць до хмарних,

а також ефективного збереження енергії.

Ефективність самого елементу
також є проблемою.

Якщо сонячне світло відбивається,
а не поглинається,

чи вибиті електрони потрапляють назад
в отвір перед проходженням кола,

то енергія фотона втрачається.

Найефективніші сонячні батареї

можуть переробити 46%
доступної енергії Сонця на електрику,

найкомерційніші системи наразі
мають ефективність 15-20%.

Незважаючи на ці обмеження,

цілком можливо

забезпечити цілий світ сонячною енергією,
яку добувають сьогодні.

Нам потрібне фінансування
для інфраструктури

та чимало простору.

За різними підрахунками - від десяти
до сотні тисяч квадратних кілометрів,

хоч це і здається багато,

та сама пустеля Сахара - це понад
7 мільйонів квадратних кілометрів.

Водночас, сонячні батареї
стають кращими, дешевшими

та конкурують
із мережевою енергією.

Інновації, як-от плавучі сонячні ферми,
можуть повністю змінити майбутнє.

Експерименти показали,

що понад мільярд людей

не має доступу
до надійної електричної мережі,

особливо в розвинених країнах,

більшість з яких є сонячними.

Тож у таких місцях

сонячна енергія вже дешевша
та безпечніша за доступні альтернативи,

такі як керосин.

Хоча, скажімо, для Фінляндії чи Сіетлу,

ефективна сонячна енергія
може досі бути важко доступна.