Какво е фотоволтаична система и как работи слънчевата енергия?

Вероятно все по-често чуваш за фотоволтаици, соларни панели и производство на електроенергия от слънцето. Но какво всъщност се крие зад тези понятия и как работи тази технология?

Фотоволтаичните системи са в основата на прехода към чиста и устойчива енергия, защото позволяват директното превръщане на слънчевата светлина в електричество. В тази статия на Tatkovci ще разбереш какво означава терминът „фотоволтаичен“, как се е развила технологията през годините, как работят фотоволтаичните клетки, от какви материали се изработват и защо фотоволтаичните системи имат ключова роля в енергетиката на бъдещето.

Какво означава фотоволтаичен?

Думата „фотоволтаичен“ идва от гръцките phos – светлина, и volt – електрическа енергия. Тя описва процеса, при който светлината се преобразува директно в електричество. В най-прост смисъл, това означава „светлинна енергия“.

Това преобразуване се осъществява чрез специални полупроводникови материали, като силиций и кадмиев телурид, които имат свойството да реагират на слънчевата светлина и да генерират електрически ток.

История на фотоволтаиците

Слънчевите технологии имат много по-дълга история, отколкото може би си представяш. Първото документирано споменаване на слънчева технология датира още от 1767 година, когато швейцарски учен създава т.нар. „слънчева колекторна клетка“.

Тези ранни устройства по същество представлявали усъвършенствани увеличителни стъкла – няколко слоя стъкло, които фокусирали слънчевата светлина в изолирана кутия, за да се улавя топлината. Истинският пробив обаче идва през 1839 година.

Тогава млад френски учен за първи път наблюдава явлението, което днес наричаме фотоволтаичен ефект, докато експериментира с осветяване и електропроводимост. Този ефект описва процеса, при който слънчевата светлина се превръща в електричество, макар че тогава все още не е напълно разбран.

През следващите десетилетия различни учени продължават изследванията, като фотоволтаичният ефект е наблюдаван в селен. Това води до създаването на първата селениева слънчева клетка през 1877 година. По онова време вече е ясно, че ефектът работи, но механизмът зад него остава загадка.

Теоретичното обяснение идва през 1905 година, когато Алберт Айнщайн описва фотоелектричния ефект и за първи път обяснява в детайли как светлината освобождава електрони и създава електрически ток. Именно за това откритие той получава Нобелова награда за физика през 1922 година.

С годините технологията напредва бързо. През 1990 година е разработена силициева клетка с ефективност от 25%, а до края на десетилетието общият инсталиран капацитет на слънчеви системи надхвърля 1000 MW. От този момент фотоволтаиците вече са реално решение за производство на електроенергия в голям мащаб.

Какво е фотоволтаична клетка?

Фотоволтаичната клетка е елементът, който реално превръща светлината в електрическа енергия. По време на изграждане на фотоволтаична централа се създават няколко слоя, като всеки има конкретна роля. В основата ѝ стои полупроводников слой, съставен от два типа материал – p-тип и n-тип, които заедно образуват т.нар. p-n преход.

Освен него, клетката има проводими слоеве, които събират произведената енергия, антирефлексно покритие, което намалява отражението на светлината, както и защитна рамка и стъкло, които предпазват клетката от външни влияния.

Как работи фотоволтаичната клетка?

Фотоволтаичната клетка работи благодарение на фотоволтаичния ефект. Когато p-тип и n-тип полупроводници се съединят, между тях се създава електрично поле. Това поле кара положително и отрицателно заредените частици да се движат в противоположни посоки.

Когато фотоните от слънчевата светлина попаднат върху полупроводниковия слой, те предават своята енергия на електроните. Електроните преминават на по-високо енергийно ниво и започват да се движат през материала. Под действието на електричното поле това движение става насочено и се създава електрически ток, който можеш да използваш веднага или да съхраниш за по-късно.

Какво е фотоволтаична система?

Фотоволтаичната система не е само соларен панел. Това е цялостен комплекс от елементи, които заедно произвеждат електроенергия и я доставят до електрическата мрежа или директно до теб като краен потребител.

Съществуват мрежови системи, които са свързани директно към електропреносната мрежа, автономни системи с батерии за съхранение на енергия и хибридни решения, които комбинират слънчевата енергия с други източници.

Независимо от типа, всяка фотоволтаична система включва соларни модули, носещи конструкции, инвертор за преобразуване на постоянния ток в променлив, кабели за пренос на енергия и при нужда – система за съхранение.

Защо фотоволтаичните системи са толкова важни?

Основното предимство на фотоволтаични системи е, че произвеждат чиста, възобновяема електроенергия без вредни емисии. Те намаляват зависимостта от изкопаеми горива, дават възможност за енергийна независимост и позволяват захранване дори в отдалечени или слабо обслужвани райони.

Днес фотоволтаичните системи са един от ключовите елементи на глобалния енергиен преход и ролята им ще става все по-значима в следващите години.

Най-големите фотоволтаични централи в света

За да добиеш по-ясна представа за мащаба, в който днес се използват фотоволтаичните системи, си струва да погледнеш някои от най-големите соларни паркове в света. Те показват, че слънчевата енергия отдавна не е само решение за покриви на къщи, а напълно реален източник на електроенергия в индустриален мащаб.

Bhadla Solar Park, Индия

Bhadla Solar Park се намира в пустинята Тар в Индия и към момента е една от най-големите фотоволтаични инсталации в света. След последните разширения паркът разполага с инсталиран капацитет от около 2,7 GW. Той заема площ от над 14 000 акра и е собственост на няколко различни компании, като всяка от тях управлява част от общия капацитет. Благодарение на силното слънчево греене в региона, паркът произвежда огромни количества чиста електроенергия всеки ден.

Huanghe Hydropower Golmud City Solar Park, Китай

В китайската провинция Цинхай се намира соларният парк Golmud City, който дълго време държи титлата за най-голям фотоволтаичен парк в света. С инсталиран капацитет от около 2,2 GW, тази централа произвежда достатъчно електроенергия, за да захранва над един милион домакинства. В парка са инсталирани приблизително 7,2 милиона фотоволтаични панела, което ясно показва колко сериозно Китай инвестира в развитието на соларната енергия.

Pavagada Solar Park, Индия

Друг впечатляващ пример от Индия е Pavagada Solar Park, разположен върху площ от около 13 000 акра. Инсталираният му капацитет достига приблизително 2,05 GW. При пускането си в експлоатация паркът е най-големият в света, преди да бъде изпреварен от други проекти. И до днес той остава символ на бързото развитие на фотоволтаичните технологии и на потенциала им да осигуряват стабилна електроенергия в голям мащаб.