Aurinkosähkön historia, kuinka ensimmäiset aurinkopaneelit luotiin

Löytöjä, kokeita ja teorioita

Aurinkosähkön historia alkaa valosähköisen vaikutuksen löytämisestä. Alexandre Edmond Becquerel esitti Ranskan tiedeakatemian kokouksessaan maanantaina 29. heinäkuuta 1839 johtopäätöksen, jonka mukaan liuokseen (nesteeseen) upotettujen metallielektrodien välinen virta vaihtelee valaistuksen voimakkuuden mukaan. Hän julkaisi myöhemmin artikkelin.

Hänen isänsä Antoine César Becquereliä kutsutaan joskus löytäjäksi. Tämä saattaa johtua siitä, että Edmond Becquerel oli julkaisuhetkellä vasta 20-vuotias ja työskenteli edelleen isänsä laboratoriossa.

Suuri skotlantilainen tiedemies James Clerk Maxwell oli monien eurooppalaisten tutkijoiden joukossa, joita kiinnosti seleenin käyttäytyminen, mikä tuotiin ensimmäisen kerran tiedeyhteisön tietoon Willoughby Smithin artikkelissa, joka julkaistiin Journal of the Society of Telegraph Engineers -lehdessä vuonna 1873.

Smith, Gutta Percha Companyn sähköinsinööri, käytti seleenisauvoja 1860-luvun lopulla laitteessa, joka havaitsi vikoja Atlantin ylittävissä kaapeleissa ennen sukellusta. Vaikka seleenisauvat toimivat hyvin yöllä, ne toimivat kauheasti, kun aurinko paistoi.

Smith epäili, että seleenin erityisominaisuuksilla oli jotain tekemistä sen päälle tulevan valon määrän kanssa, ja Smith asetti tangot laatikkoon, jossa oli liukuva kansi. Kun laatikko suljettiin ja valot sammutettiin, tankojen vastus – aste, jolla ne estävät sähkövirran kulkemista niiden läpi – oli maksimaalinen ja pysyi vakiona. Mutta kun laatikon kansi poistettiin, niiden johtavuus "lisäsi välittömästi valon voimakkuuden mukaisesti".

Smithin raportin jälkeen valon vaikutusta seleeniin tutkineiden tutkijoiden joukossa olivat kaksi brittiläistä tiedemiestä, professori William Grylls Adams ja hänen oppilaansa Richard Evans Day.

1870-luvun lopulla he tekivät seleeniä moniin kokeisiin, ja yhdessä näistä kokeista he sytyttivät kynttilän Smithin käyttämien seleenisauvojen viereen. Heidän mittarissaan oleva nuoli reagoi välittömästi. Seleenin suojaaminen valolta sai neulan putoamaan välittömästi nollaan.

Nämä nopeat reaktiot estävät sen mahdollisuuden, että kynttilän liekin lämpö tuottaa virran, koska kun lämpöä syötetään tai poistetaan lämpösähköisissä kokeissa, neula nousee tai laskee aina hitaasti. "Siksi", tutkijat päättelivät, "oli selvää, että virta voi vapautua seleenissä vain valon vaikutuksesta." Adams ja Day kutsuivat valon tuottamaa virtaa "valosähköiseksi".

Toisin kuin Becquerelin havaitsemassa valosähköisessä efektissä, kun sähkökennon virta muuttui valon vaikutuksesta, tässä tapauksessa sähköjännite (ja virta) syntyi ilman ulkoisen sähkökentän vaikutusta vain valon vaikutuksesta.

Adams ja Day loivat jopa mallin tiivistetystä aurinkosähköjärjestelmästä, jonka he esittelivät monille merkittäville ihmisille Englannissa, mutta eivät tuoneet sitä käytännön käyttöön.

Toinen luoja aurinkokennoja Seleeniin perustuva amerikkalainen keksijä Charles Fritts vuonna 1883.

Hän levitti leveän ohuen kerroksen seleeniä metallilevylle ja peitti sen ohuella läpikuultavalla lehtikultakalvolla. Tämä seleenimoduuli, Fritz sanoi, tuotti virran "jatkuvan, tasaisen ja huomattavan vahvan... ei vain auringonvalossa, mutta myös heikossa, hajanaisessa päivänvalossa ja tasaisessa lampunvalossa”.

Mutta hänen aurinkokennojen tehokkuus oli alle 1 %. Hän kuitenkin uskoi, että ne voisivat kilpailla Edisonin hiilivoimaloiden kanssa.

Charles Frittsin kullatut seleeniaurinkopaneelit New Yorkin katolla vuonna 1884.

Fritz lähetti yhden aurinkopaneeleistaan ​​Werner von Siemensille, jonka maine oli Edisonin maine.

Siemens teki niin suuren vaikutuksen paneelien sähkötehosta syttyessään, että kuuluisa saksalainen tiedemies esitteli Fritts-paneelin Preussin kuninkaalliselle akatemialle. Siemens kertoi tiedemaailmalle, että amerikkalaiset moduulit "esittelivät meille ensimmäistä kertaa valoenergian suoran muuntamisen sähköenergiaksi".

Harvat tiedemiehet ovat ottaneet huomioon Siemensin kehotuksen. Löytö näytti olevan ristiriidassa kaiken sen kanssa, mitä tiede uskoi tuolloin.

Adamsin ja Dayn sekä Frithin "maagisten" paneelien käyttämät seleenisauvat eivät luottaneet fysiikan tuntemiin menetelmiin energian tuottamiseksi. Siksi enemmistö jätti ne tieteellisen lisätutkimuksen ulkopuolelle.

Albert Einstein kuvasi teoreettisesti valosähköilmiön fysikaalisen periaatteen vuonna 1905 kirjoittamassaan sähkömagneettista kenttää käsittelevässä paperissa, jota hän sovelsi sähkömagneettiseen kenttään ja jonka Max Karl Ernst Ludwig Planck julkaisi vuosisadan vaihteessa.

Einsteinin selitys osoittaa, että vapautuneen elektronin energia riippuu vain säteilyn taajuudesta (fotonienergia) ja elektronien lukumäärästä säteilyn intensiteetistä (fotonien määrä). Einsteinille myönnettiin Nobelin fysiikan palkinto vuonna 1921 teoreettisen fysiikan kehittämistyöstään, erityisesti valosähköisten ilmiöiden lakien löytämisestä.

Einsteinin rohkea uusi kuvaus valosta yhdistettynä elektronin löytämiseen ja sitä seuranneeseen pyrkimykseen tutkia sen käyttäytymistä – kaikki tapahtui 1800-luvun alussa – tarjosi valosähkölle tieteellisen perustan, jota sillä aiemmin puuttui ja joka voisi nyt selittää ilmiön termein. tieteelle ymmärrettävää.

Seleenin kaltaisissa materiaaleissa tehokkaammat fotonit kuljettavat tarpeeksi energiaa syrjäyttääkseen löyhästi sitoutuneita elektroneja atomikiertoradoiltaan. Kun johdot on kiinnitetty seleenisauvoihin, vapautuneet elektronit virtaavat niiden läpi sähkönä.

1800-luvun kokeet kutsuivat prosessia aurinkosähköiseksi, mutta 1920-luvulla tiedemiehet kutsuivat ilmiötä valosähköiseksi efektiksi.

Hänen kirjassaan 1919 aurinkokennoistaThomas Benson ylisti pioneerien työtä seleenin kanssa "väistämättömän aurinkogeneraattorin" edelläkävijänä.

Koska horisontissa ei kuitenkaan ollut löytöjä, Westinghousen aurinkosähköosaston johtaja saattoi todeta vain: "Valosähkökennot eivät kiinnosta käytännön insinöörejä ennen kuin ne ovat vähintään viisikymmentä kertaa tehokkaampia."

Photovoltaics and Its Applications -julkaisun kirjoittajat yhtyivät pessimistiseen ennusteeseen kirjoittaessaan vuonna 1949: "On jätettävä tulevaisuuteen, avaako materiaalisesti tehokkaampien kennojen löytäminen mahdollisuuden käyttää aurinkoenergiaa hyödyllisiin tarkoituksiin."

Aurinkosähköefektien mekanismit: Aurinkosähköefekti ja sen lajikkeet

Aurinkosähkö käytännössä

Vuonna 1940 Russell Shoemaker Ole loi vahingossa PN-liitos piillä ja havaitsi, että se tuotti sähköä valaistuna. Hän patentoi löytönsä. Tehokkuus on noin 1 %.

Moderni aurinkokennojen muoto syntyi vuonna 1954 Bell Laboratoriesissa. Seostetulla piillä tehdyissä kokeissa havaittiin sen korkea valoherkkyys. Tuloksena oli aurinkokenno, jonka hyötysuhde oli noin kuusi prosenttia.

Proud Bellin johtajat esittelevät Bell Solar Panelin 25. huhtikuuta 1954, ja siinä on solupaneeli, joka luottaa yksinomaan valoenergiaan maailmanpyörän voimanlähteenä. Seuraavana päivänä Bellin tutkijat käynnistivät aurinkovoimalla toimivan radiolähettimen, joka lähettää ääntä ja musiikkia Amerikan johtaville tutkijoille, jotka kokoontuivat Washingtoniin.

Ensimmäiset aurinkosähkökennot kehitettiin 1950-luvun alussa.

Southern Bellin sähköasentaja kokoaa aurinkopaneelin vuonna 1955.

Aurinkosähkökennoja on käytetty sähkönlähteenä eri laitteiden virtalähteenä 1950-luvun lopulta lähtien avaruussatelliiteilla. Ensimmäinen valokennoilla varustettu satelliitti oli amerikkalainen satelliitti Vanguard I (Avangard I), joka laukaistiin kiertoradalle 17. maaliskuuta 1958.

Amerikkalainen satelliitti Vanguard I, 1958.

Vanguard I -satelliitti on edelleen kiertoradalla. Se vietti yli 60 vuotta avaruudessa (jota pidetään avaruuden vanhimpana ihmisen tekemänä esineenä).

Vanguard I oli ensimmäinen aurinkoenergialla toimiva satelliitti ja sen aurinkokennot toimittivat satelliitille virtaa seitsemän vuoden ajan. Se lopetti signaalien lähettämisen Maahan vuonna 1964, mutta siitä lähtien tutkijat ovat edelleen käyttäneet sitä saadakseen käsityksen siitä, kuinka Aurinko, Kuu ja Maan ilmakehä vaikuttavat kiertäviin satelliitteihin.

Amerikkalainen satelliitti Explorer 6 korotetuilla aurinkopaneeleilla, 1959.

Se on harvoja poikkeuksia lukuun ottamatta tärkein sähkönlähde laitteille, joiden odotetaan toimivan pitkään. Kansainvälisen avaruusaseman (ISS) aurinkosähköpaneelien kokonaiskapasiteetti on 110 kWh.

Aurinkopaneelit avaruudessa

Ensimmäisten aurinkokennojen hinnat olivat 1950-luvulla tuhansia dollareita nimellistehowattia kohden, ja energiankulutus niiden tuottamiseen ylitti näiden kennojen elinaikanaan tuottaman sähkön määrän.

Syynä oli alhaista hyötysuhdetta lukuun ottamatta se, että aurinkokennojen valmistuksessa käytettiin käytännössä samoja teknologisia ja energiaintensiivisiä menetelmiä kuin mikrosirujen valmistuksessa.

Maanpäällisissä olosuhteissa aurinkosähköpaneeleja käytettiin ensin pienten laitteiden virtalähteeksi syrjäisissä paikoissa tai esimerkiksi poijuissa, joissa niiden liittäminen sähköverkkoon olisi erittäin vaikeaa tai mahdotonta. Aurinkosähköpaneelien tärkein etu muihin sähkönlähteisiin verrattuna on, että ne eivät vaadi polttoainetta ja huoltoa.

Ensimmäiset sarjatuotantona valmistetut aurinkosähköpaneelit ilmestyivät markkinoille vuonna 1979.

1970-luvun öljykriisi vauhditti lisääntynyttä kiinnostusta aurinkosähköä kohtaan maapallon energialähteenä sekä muihin uusiutuviin lähteisiin.

Siitä lähtien on tehty intensiivistä tutkimus- ja kehitystyötä, mikä on johtanut korkeampaan tehokkuuteen, alhaisempiin hintoihin ja pidempään aurinkokennojen ja -paneelien käyttöikään. Samalla tuotannon energiaintensiteetti on laskenut niin paljon, että paneeli tuottaa monta kertaa enemmän energiaa kuin sen tuottamiseen käytettiin.

Vanhimmat (vielä käytössä) suuret rannikkorakenteet ovat 1980-luvun alusta. Tuolloin kiteiset piikennot olivat vielä täysin hallinnassa, joiden käyttöikä vahvistettiin todellisissa olosuhteissa vähintään 30 vuodeksi.

Kokemuksen perusteella valmistajat takaavat, että paneelin suorituskyky laskee enintään 20 % 25 vuoden kuluttua (mainittujen asennusten tulokset ovat kuitenkin paljon parempia). Muuntyyppisten paneelien käyttöikä on arvioitu nopeutetun testauksen perusteella.

Alkuperäisten yksikiteisten piikennojen lisäksi on vuosien varrella kehitetty useita uudentyyppisiä aurinkokennoja, sekä kiteinen että ohut kalvo… Kuitenkin pii on edelleen hallitseva materiaali aurinkosähkössä.

Aurinkosähköteknologia on kokenut suuren noususuhdanteen vuodesta 2008 lähtien, jolloin kiteisen piin hinnat alkoivat laskea nopeasti, mikä johtui pääasiassa tuotannon siirtämisestä Kiinaan, joka oli aiemmin vähemmistötoimija markkinoilla (valtaosa aurinkosähkön tuotannosta keskittyi Japaniin, Yhdysvallat, Espanja ja Saksa).

Aurinkosähkö yleistyi vasta erilaisten tukijärjestelmien käyttöönoton myötä. Ensimmäinen oli tukiohjelma Japanissa ja sitten ostohintajärjestelmä Saksassa. Myöhemmin samanlaisia ​​järjestelmiä otettiin käyttöön useissa muissa maissa.

Aurinkosähkö on nykyään yleisin uusiutuva energialähde ja myös erittäin nopeasti kasvava ala. Sitä asennetaan laajalti rakennusten katoille sekä maa-alueille, joita ei voida käyttää maataloustöihin.

Uusimmat trendit sisältävät myös vesiasennukset mm kelluvat aurinkosähköjärjestelmät ja maatalouden aurinkosähkölaitteistot, joissa aurinkosähkölaitteistot yhdistetään maataloustuotantoon.