Загрузка ...Как световая энергия становится электричеством
С древних времен люди поклонялись Солнцу, считая его безраздельным хозяином планеты, связывая с ним свое настоящее и будущее. До нас дошли древние рисунки египтян, где они изображали Солнце как щедрого владыку, одаривающего людей земными благами, освещающего и согревающего живую природу. Человек издавна делал попытки заставить энергию Солнца работать на себя. Но многие века не удавалось достичь успеха.
Впервые превращение солнечной энергии в электрическую удалось осуществить в XIX веке. Немецкий физик Г. Герц, проводя опыты со своим знаменитым вибратором, столкнулся с совершенно новым и непонятным явлением. Ему удалось заметить, что если на искровой промежуток направить луч света от достаточно мощного источника (например, вольтовой дуги), то напряжение, требуемое для создания искры, можно было уменьшить. Значит, свет каким-то образом влияет на прохождение электрического тока?
Разгадать тайну этих явлений сумел в конце XIX века известный русский ученый А. Г. Столетов. Он установил, что свет вырывает из поверхности тел электроны в количестве, пропорциональном интенсивности падающего света. Чем больше поток света, тем больше выбитых электронов. Открытое А. Г. Столетовым явление получило название внешнего фотоэлектрического эффекта. Позднее ученому удалось сконструировать фотоэлемент — прибор, создающий электрический ток под действием падающего на него света.
Почти одновременно с опытами, проводимыми Столетовым, профессор Казанского университета B. А. Ульянин исследовал явление фотоэлектрического эффекта на границе соприкосновения металла с уже известным тогда полупроводником — селеном.
Ульянин обратил внимание на следующий факт. Если покрыть селен тонкой пленкой металла, настолько тонкой, что она будет прозрачна для света, то при освещении ее в цепи появляется электрический ток. Вскоре выяснилось, что этим свойством обладает не только селен, но и многие другие полупроводники. Явлению, изученному В. А. Ульяниным, дали название внутренний фотоэлектрический эффект.
Первым прибором, использующим фотоэлектрический эффект, является фоторезистор. Он представляет собой полупроводниковый прибор без электронно-дырочного перехода. Пока на него не падает свет, в цепи течет ток, который определяется обычным омическим сопротивлением фоторезистора и приложенным к нему напряжением. Здесь лучистая энергия как бы законсервирована в материале полупроводника. При освещении его проводимость увеличивается в миллионы раз, что делает фоторезистор незаменимым для целого ряда устройств, в частности устройств автоматики.
Позднее, уже в XX веке, появился новый тип прибора, получивший название фотодиода. Это кристалл полупроводника, две части которого имеют разную проводимость с электронно-дырочным переходом между ними. Если фотодиод осветить, то кванты света будут освобождать электроны из плена атомов на создание дырок. Образовавшиеся электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем перехода: электроны и дырки собираются но разные стороны от него. В результате один электрод заряжается положительно, другой — отрицательно, и на контактах диода при отсутствии приложенного напряжения появляется фотоэлектродвижущая сила. При замыкании цепи в ней будет протекать электрический ток. Так действует полупроводниковый фотодиод, преобразующий световую энергию в электрическую.
Наряду с фотодиодами в различных схемах применяются и фототриоды, представляющие собой приемники лучистой энергии.
Для изготовления фотодиодов и фототраизисторов используется селен, германий, закись меди и другие элементы. Однако наиболее выгодно делать их из кремния, ибо он наиболее распространен в природе, менее чувствителен к колебаниям температуры. Наконец, последнее немаловажное обстоятельство — кремний позволяет достигнуть минимальных потерь на отражение. На поверхности кремния очень легко образуется защитная пленка из окиси кремния, которая практически абсолютно прозрачна. Благодаря этим свойствам именно кремний стал основным материалом для изготовления солнечных батарей.
Размеры солнечных батарей невелики. Зато коэффициент полезного действия достигает 11—13%. Если современными солнечными батареями покрыть 1 квадратный метр Земли, то такая установка может дать 120 Вт электроэнергии. Уже сейчас найдены вещества, которые во многих отношениях лучше кремния.
Но не только для создания солнечной энергетики пригодны кремниевые фотоэлементы. Взять, к примеру, карманные радиоприемники. Энергии для их питания требуется очень немного. И ее дают кремниевые фотоэлементы, удобно размещаемые в корпусе приемника. При отсутствии света в темноте начинает работать миниатюрный аккумулятор, заряженный теми же фотоэлементами.
А вот еще одно оригинальное устройство. Оно оказывает помощь незрячим при чтении обычных печатных текстов. И здесь не обходится без фотодиодов. Электронные «очки», сконструированные американскими специалистами, сделаны в виде пистолета, который слепой передвигается по страницам книги. Фотодиоды не только четко фиксируют сочетания темных и светлых участков книги, но и превращают световую энергию в энергию электрическую. При помощи транзисторов электрические сигналы усиливаются и в такт изменениям проходящего тока преобразуются далее в механические колебания за счет установленных в схему механических вибраторов. Эти колебания н ощущает слепой. В данном устройстве каждый букве алфавита соответствует определенная частота вибраций.
В дальнейшем для фотодиодов нашлась более интересная и увлекательная работа — питать электроэнергией космические аппараты.
Солнечные батареи обеспечивают энергией большинство современных искусственных спутников Земли, станций и космических кораблей. В полете их аккумуляторы непрерывно пополняют электрическую энергию от солнечных батарей. Но для того, чтобы энергия поступала непрерывно, корабль надо сориентировать определенным образом в направлении к Солнцу. Такой ловушкой света, «глазами» космического корабля являются фотодиоды. Стоит лишь кораблю отклониться от заданного направления, как фотодиоды сообщат «мозгу» станции, с какой стороны «виден» свет. По поступающему сигналу срабатывает система ориентации, которая приводит корабль в нужное положение.
Само собой разумеется, что солнечные батареи не функционируют на теневой стороне планеты или в непроницаемой для солнечных лучей атмосфере планет типа Венеры. В этих условиях начинают действовать химические или атомные источники тока. И все же львиную долю электроэнергии дают кремниевые фотоэлементы.
Это далеко не полный перечень устройств и приборов, в которых нашли применение солнечные батареи и фотоэлементы. К сожалению, они еще далеки от совершенства. Но надо учитывать, что все достигнутое — лишь начало их пути. Впереди новые проекты и решения.
Дата публикации: 01.08.2017
Особенности и виды межкомнатных складных дверей
Варианты применения наружных LED экранов
