Солнечные батареи – это альтернативный источник получения электроэнергии, который с каждым годом завоевывает все большую популярность. Большинству простых потребителей они кажутся чем-то инновационным. Но сама технология довольно старая: первая солнечная батарея, которая давала ток, был создана американским изобретателем Чарльзом Фриттсом аж в 1883(!) году. Вот так, полтора века назад.
С чего все начиналось
Выше фотография 1884 года солнечной батареи Чарльза Фриттса. По всей видимости, на крыше стоит внешне вполне современная солнечная батарея размером около 10 кв. м, она состоит из четырех одинаковых блоков, в каждом из которых было по семь солнечных панелей.
К сожалению, про судьбу самого изобретателя Чарлза Фриттса и его солнечной батареи мало что известно. Хотя о его генераторе электроэнергии из солнечного света писали многие местные нью-йоркские газеты. В своих публикациях журналисты правильно и доходчиво объяснили публике принцип его работы фразой: «Видели лампочку Эдисона? Она пожирает электричество. А здесь все наоборот!»
Стоит отметить, что возможность получать электричество из света (фотовольтаический эффект) продемонстрировал еще в 1839 году Александр Беккерель, которому было всего восемнадцать лет. В отцовской лаборатории представитель семьи известных физиков Беккерелей, обнаружил, что под действием яркого света в цепи, состоявшей из металлических (золотых, платиновых, медных в разных вариантах опыта) пластин в электролите, под действием прямого солнечного света стрелка гальванометра фиксировала появление ЭДС. Отец Александра выступил с докладом о результатах опытов сына на заседании Парижской академии наук, позднее их опубликовали в «Записках Академии». С тех пор ученые не сомневались, что солнечный свет сможет создавать электричество.
Но в то же время, у ученых еще долго не было и объяснения так называемого «эффекта Беккереля». Даже после исследования учеными электрических свойств химических элементов полупроводников, ситуация не изменилась. Зато она коренным образом преобразовалась в практической электрофизике. Полупроводниками эти элементы собственно и назвали только потому, что они вели себя в электрической цепи не так, как металлы-проводники и не как диэлектрики.
Прежде всего ток при определенных обстоятельства и в ограниченных количествах они проводили, а сопротивление в них с температурой не росло, а падало, но что важно они демонстрировали фотовольтаический эффект, причем не такой вялый, как металлы-проводники в банке с электролитом у Беккереля. Им вообще не нужна была для этого жидкая среда электролита, они сами по себе показывали возникновение в себе ЭДС на солнце. Особенно явно демонстрировал это селен, причем в паре с металлом-проводником фотовольтаический эффект был более выраженным.
Объяснить почему это происходит, смогли только спустя полвека после опытов юного Беккереля. Чарльз Фриттс понял, что надо раскатать потоньше селен, покрыть его пленкой металла-проводника, желательно не окисляющегося на свежем воздухе, выставить на солнце и тогда получим энергию.Сам же изобретатель утверждал, что его селеновые солнечные панели вполне пригодны в создании электроэнергии не только для бытовых, но и даже для промышленных нужд.
Если ориентироваться по современным оценкам, то КПД его солнечных панелей был 1-2% (у современных массовых панелей средний КПД – 13%). Однако большой недостаток состоял в том, что панели изобретателя были очень дорогими в производстве. Но не только дороговизна стала причиной невостребованности этого альтернативного источника энергии, а в целом не было такого спроса и можно сказать, Фриттс со своими солнечными панелями оказался не в том месте и не в то время.
Пробовал ли Фриттс запатентовать свое изобретение? Ответа на этот вопрос нет, но зато достоверно известно, что образцы своих солнечных панелей он отправил «европейскому Эдисону» Вернеру фон Сименсу и попросил передать их на рассмотрение в Прусскую академию наук в Берлине. Надо отметить, что у Фриттса все же есть патенты на различные усовершенствования в области передачи электричества (к примеру, U.S. Patent №383,520).
Вернер фон Сименс публично заявил, что изобретение Фриттса это «научно далеко идущее значение» и призывал к «тщательному исследованию, чтобы определить, от чего зависит электродвижущее световое действие селеновых панелей». Но в то время все внимание ученых и общественности было приковано к первой паровой электростанции, построенной Эдисоном в том же Нью-Йорке в 1882 году. Поэтому неудивительно, что никто всерьез не воспринимал слова Фриттса о том, что его солнечные панели скоро составят конкуренцию электрогенераторам Эдисона.
А инженерная мысль относительно солнечных батарей сделала зигзаг, включив в конструкцию солнечной батареи фототермоэлемент, который работает на принципе Зеербека, то есть ток в нем возникает при повышении температуры. Вслед за Архимедом, который по легенде две тысячи лет назад сжег римский флот солнечным светом с помощью параболических зеркал, свет с помощью линз концентрировали на термопаре металлов, которые и генерировали ток. Зачем конструкторы отказались от прямого пути получения электричества непосредственно из солнечного света, выбрав путь с посредником, генерирующим ток при нагревании, — тут логику изобретателя проследить сложно, в патентной заявке никто свои логические умозаключения не описывает. Но возможно в те годы, когда физический механизм фотовольтаического эффекта, как и прежде был вещью в себе, таким способом инженеры питали надежду поднять КПД солнечной батареи Фриттса.
Первые заявки на патенты
В двух первых патентных заявках 1888 года на такую солнечную батарею Эдварда Вестона (U.S. Patent 389,124 и U.S. Patent 389,425) обозначено: «Термоэлектрический элемент из разнородных металлов, размещенные бок о бок, везде изолированы друг от друга и соединенные на одном конце, и является электрогенерирующим устройством… Электродвижущая сила будет представлять собой сумму электродвижущих сил токов, создаваемых несколькими элементами, и будет увеличиваться до максимума пропорционально повышению температуры… Поскольку, однако, для практических целей нецелесообразно создавать поверхность термоэлемента очень большой площади, я концентрирую солнечный луч на поверхности термоэлемента с помощью любого известного устройства для этой цели, такого, например, как зеркала или линзы, так что относительно более высокая температура и, следовательно, большая энергия на единицу площади поверхности., может быть достигнута».
Их изобретатель Эдвард Вестон – один из крупнейших специалистов своего времени по электротехническим сплавам, также он был в то время гендиректором Edison-Swan United Electric Lighting Co, а затем стал президентом Американского института инженеров по электротехнике (ныне известный IEEE). Вестон запатентовал за свою жизнь 334 изобретения. Подобные вестоновскому патенты на солнечные батареи с термоэлементами получили до Первой мировой войны еще не менее дюжины изобретателей, а после было затишье, стало не до солнечных батарей. Но даже запатентованные модели в большинстве своем остались в виде чертежей и описаний.
К солнечной батарее в буквально смысле, то есть подобной основателю Фриттсу, ученые вернулись только в конце 1930-х годов, но она уже была не селеновая, а кремниевая. Рассел Ол, работавший в подразделении Bell Labs, которое занималось полупроводниковыми транзисторами, в 1939 году открыл p-n-переход, и это открытие дало полное понимание физического механизма фотовольтаического эффекта (как частного случая) и фотоэлектрического эффекта в целом. Ученые и инженеры наконец могли с открытыми глазами работать над совершенствованием солнечных батарей на полупроводниках.
Дарим скидку 4000 рублей при первом обращении на любую услугу onlinepatent.ru Промокод: LOVEHABR
