ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจเป็นพิเศษกับแหล่งพลังงานทางเลือก น้ำมันและก๊าซจะหมดไม่ช้าก็เร็ว เราจึงต้องคิดว่าเราจะเอาตัวรอดในสถานการณ์นี้ได้อย่างไร กังหันลมถูกใช้อย่างแข็งขันในยุโรป มีคนพยายามดึงพลังงานจากมหาสมุทร และเราจะพูดถึงพลังงานแสงอาทิตย์ ท้ายที่สุดแล้ว ดาวที่เราเห็นแทบทุกวันบนท้องฟ้าสามารถช่วยเราประหยัดทรัพยากรที่ไม่สามารถหมุนเวียนได้และปรับปรุงสิ่งแวดล้อม คุณค่าของดวงอาทิตย์ที่มีต่อโลกนั้นยากที่จะประเมินค่าสูงไป เนื่องจากให้ความร้อน แสงสว่าง และช่วยให้ทุกชีวิตบนโลกใบนี้ทำงานได้ ทำไมไม่ลองใช้อย่างอื่นแทนล่ะ
ประวัติศาสตร์เล็กน้อย
ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์ Alexander Edmond Becquerel ได้ค้นพบปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิก และภายในสิ้นศตวรรษ Charles Fritts ได้สร้างอุปกรณ์เครื่องแรกที่สามารถแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าได้ ด้วยเหตุนี้จึงใช้ซีลีเนียมเคลือบด้วยทองคำบาง ๆ ผลที่ได้นั้นอ่อน แต่การประดิษฐ์นี้มักเกี่ยวข้องกับการเริ่มต้นยุคของพลังงานแสงอาทิตย์ นักวิชาการบางคนไม่เห็นด้วยกับสูตรนี้ พวกเขาเรียกผู้ก่อตั้งยุคพลังงานแสงอาทิตย์ว่า Albert Einstein นักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงระดับโลก ในปี พ.ศ. 2464ปีที่เขาได้รับรางวัลโนเบลจากการอธิบายกฎของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกภายนอก
ดูเหมือนว่าพลังงานแสงอาทิตย์จะเป็นแนวทางการพัฒนาที่สดใส แต่มีอุปสรรคมากมายในการเข้าไปในบ้านทุกหลัง - โดยเฉพาะด้านเศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อม อะไรเป็นต้นทุนของแผงโซลาร์เซลล์ สิ่งที่พวกเขาสามารถทำต่อสิ่งแวดล้อมและวิธีอื่นๆ ในการผลิตพลังงาน เราจะค้นพบด้านล่าง
วิธีการออม
ภารกิจเร่งด่วนที่สุดที่เกี่ยวข้องกับการทำให้พลังงานของดวงอาทิตย์เชื่องไม่ใช่แค่การรับเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการสะสมด้วย และนั่นคือสิ่งที่ยากที่สุด ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาเพียง 3 วิธีในการทำให้เชื่องพลังงานแสงอาทิตย์อย่างเต็มที่
อันแรกคือการใช้กระจกพาราโบลาและคล้ายกับการเล่นแว่นขยายที่ทุกคนคุ้นเคยมาตั้งแต่เด็ก แสงผ่านเลนส์มารวมกันที่จุดหนึ่ง ถ้าคุณวางกระดาษไว้ที่นี่ มันจะสว่างขึ้น เพราะอุณหภูมิของแสงอาทิตย์ที่ตัดผ่านนั้นสูงอย่างไม่น่าเชื่อ กระจกพาราโบลาคือจานเว้าที่มีลักษณะคล้ายชามตื้น กระจกนี้ไม่ส่องผ่านกระจกซึ่งต่างจากแว่นขยาย แต่สะท้อนแสงอาทิตย์มารวมกันที่จุดหนึ่งซึ่งมักจะส่งไปยังท่อสีดำที่มีน้ำ ใช้สีนี้เพราะดูดซับแสงได้ดีที่สุด น้ำในท่อได้รับความร้อนจากแสงแดดและสามารถนำมาใช้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าหรือให้ความร้อนแก่บ้านหลังเล็กได้
ฮีตเตอร์แบบแบน
วิธีนี้ใช้ระบบที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง ตัวรับพลังงานแสงอาทิตย์ดูเหมือนโครงสร้างหลายชั้น หลักการทำงานเป็นแบบนี้
รังสีกระทบโลหะที่ส่องผ่านกระจก ซึ่งอย่างที่ทราบกันดีว่าดูดซับแสงได้ดีกว่า รังสีแสงอาทิตย์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนและทำให้น้ำร้อนซึ่งอยู่ใต้แผ่นเหล็กร้อน นอกจากนี้ ทุกอย่างเกิดขึ้นตามวิธีแรก น้ำอุ่นสามารถใช้เพื่อให้ความร้อนในอวกาศหรือเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้า จริงอยู่ที่ประสิทธิภาพของวิธีนี้ไม่สูงพอที่จะนำไปใช้ได้ทุกที่
ตามกฎแล้ว พลังงานแสงอาทิตย์ที่ได้รับในลักษณะนี้คือความร้อน วิธีที่สามใช้บ่อยกว่ามากในการผลิตไฟฟ้า
โซลาร์เซลล์
เราคุ้นเคยกับวิธีการรับพลังงานนี้มากที่สุด มันเกี่ยวข้องกับการใช้แบตเตอรี่หรือแผงโซลาร์เซลล์ต่าง ๆ ซึ่งสามารถพบได้บนหลังคาของบ้านสมัยใหม่หลายหลัง วิธีนี้ซับซ้อนกว่าที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ แต่มีแนวโน้มมากกว่ามาก เขาเป็นคนที่ทำให้สามารถเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าในระดับอุตสาหกรรมได้
แผงพิเศษที่ออกแบบมาเพื่อดักจับรังสีทำจากคริสตัลซิลิกอนเสริมสมรรถนะ แสงแดดตกกระทบพวกมันทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากวงโคจร อีกคนหนึ่งพยายามที่จะเข้ามาแทนที่ในทันที ดังนั้นจึงได้ห่วงโซ่ที่เคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องซึ่งสร้างกระแส หากจำเป็นให้รีบใช้อุปกรณ์หรือสะสมในแบบฟอร์มไฟฟ้าในแบตเตอรี่พิเศษ
ความนิยมของวิธีนี้ได้รับการพิสูจน์โดยข้อเท็จจริงที่ว่ามันช่วยให้คุณได้รับมากกว่า 120 วัตต์จากแผงโซลาร์เซลล์เพียงหนึ่งตารางเมตร ในเวลาเดียวกัน แผงมีความหนาค่อนข้างเล็ก ซึ่งช่วยให้วางได้เกือบทุกที่
ประเภทแผงซิลิกอน
เซลล์แสงอาทิตย์มีหลายประเภท อย่างแรกทำโดยใช้ซิลิกอนผลึกเดี่ยว ประสิทธิภาพของพวกเขาอยู่ที่ประมาณ 15% แผงโซลาร์เหล่านี้แพงที่สุด
ประสิทธิภาพขององค์ประกอบที่ทำจากโพลีคริสตัลลีนซิลิกอนถึง 11% พวกเขาเสียค่าใช้จ่ายน้อยลงเนื่องจากได้วัสดุสำหรับพวกเขาโดยใช้เทคโนโลยีที่เรียบง่าย ประเภทที่สามประหยัดที่สุดและมีประสิทธิภาพขั้นต่ำ แผ่นเหล่านี้เป็นแผงที่ทำจากซิลิคอนอสัณฐานซึ่งไม่ใช่ผลึก นอกจากประสิทธิภาพที่ต่ำแล้ว ยังมีข้อเสียที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือ ความเปราะบาง
ผู้ผลิตบางรายใช้แผงโซลาร์ทั้งสองด้านเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ - ด้านหลังและด้านหน้า วิธีนี้ช่วยให้คุณเก็บแสงในปริมาณมากและเพิ่มปริมาณพลังงานที่ได้รับ 15-20%
ผู้ผลิตในประเทศ
พลังงานแสงอาทิตย์บนโลกกำลังเป็นที่แพร่หลายมากขึ้น แม้แต่ในประเทศของเราก็ยังสนใจที่จะศึกษาอุตสาหกรรมนี้ แม้ว่าที่จริงแล้วการพัฒนาพลังงานทดแทนจะไม่มีบทบาทมากนักในรัสเซีย แต่ก็ประสบความสำเร็จบ้าง ปัจจุบัน หลายองค์กรมีส่วนร่วมในการสร้างแผงพลังงานแสงอาทิตย์ - ส่วนใหญ่สถาบันวิทยาศาสตร์สาขาและโรงงานการผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ
- NPF "ควาร์ก".
- โรงงานเครื่องกล OJSC Kovrov
- สถาบันวิจัยพลังงานไฟฟ้าเพื่อการเกษตรของรัสเซียทั้งหมด
- วิศวกรรม NGO
- AO เวียน
- OJSC "โรงงาน Ryazan ของอุปกรณ์เซรามิกโลหะ".
- โรงงานนำร่อง JSC Pravdinsky แห่งแหล่งพลังงาน Pozit
นี่เป็นเพียงส่วนเล็กๆ ขององค์กรที่มีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในการพัฒนาพลังงานทดแทนในรัสเซีย
ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
การปฏิเสธแหล่งพลังงานถ่านหินและน้ำมันไม่เพียงแต่เชื่อมโยงกับข้อเท็จจริงที่ว่าทรัพยากรเหล่านี้จะหมดลงไม่ช้าก็เร็ว ความจริงก็คือพวกมันทำอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมอย่างมาก - พวกมันก่อให้เกิดมลพิษต่อดิน อากาศและน้ำ มีส่วนทำให้เกิดโรคในคน และลดภูมิคุ้มกัน นั่นคือเหตุผลที่แหล่งพลังงานทางเลือกต้องเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม
ซิลิคอนซึ่งใช้ทำเซลล์แสงอาทิตย์นั้นปลอดภัยเนื่องจากเป็นวัสดุธรรมชาติ แต่หลังจากทำความสะอาดแล้ว ขยะก็ยังเหลืออยู่ สิ่งเหล่านี้สามารถทำร้ายมนุษย์และสิ่งแวดล้อมได้หากใช้อย่างไม่เหมาะสม
นอกจากนี้ ในบริเวณที่มีแผงโซลาร์เซลล์เต็มไปหมด แสงธรรมชาติอาจถูกรบกวน ซึ่งจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในระบบนิเวศที่มีอยู่ แต่โดยทั่วไป อุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อแปลงพลังงานแสงอาทิตย์มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเพียงเล็กน้อย
เศรษฐกิจ
ต้นทุนที่ใหญ่ที่สุดสำหรับการผลิตแผงโซลาร์เซลล์นั้นสัมพันธ์กับต้นทุนวัตถุดิบที่สูง ตามที่เราทราบแล้ว แผงพิเศษถูกสร้างขึ้นโดยใช้ซิลิกอน แม้ว่าแร่ธาตุนี้มีการกระจายอย่างกว้างขวางในธรรมชาติ แต่ก็มีปัญหาใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับการสกัด ความจริงก็คือซิลิกอนซึ่งมีมากกว่าหนึ่งในสี่ของมวลเปลือกโลกไม่เหมาะสำหรับการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ เพื่อจุดประสงค์เหล่านี้ เฉพาะวัสดุที่บริสุทธิ์ที่สุดที่ได้จากวิธีทางอุตสาหกรรมเท่านั้นจึงจะเหมาะสม น่าเสียดายที่การรับซิลิกอนที่บริสุทธิ์ที่สุดจากทรายเป็นปัญหาอย่างมาก
ราคาของทรัพยากรนี้เทียบได้กับยูเรเนียมที่ใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ นั่นคือเหตุผลที่ราคาแผงโซลาร์ในปัจจุบันยังคงอยู่ในระดับที่ค่อนข้างสูง
เทคโนโลยีสมัยใหม่
ความพยายามครั้งแรกในการทำให้เชื่องพลังงานแสงอาทิตย์ปรากฏเมื่อนานมาแล้ว ตั้งแต่นั้นมา นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากได้มีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในการค้นหาอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุด มันควรจะไม่เพียงแต่ประหยัดแต่ยังมีขนาดกะทัดรัด ประสิทธิภาพควรพยายามให้ถึงที่สุด
ขั้นตอนแรกสู่อุปกรณ์ในอุดมคติสำหรับการรับและแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เกิดจากการประดิษฐ์แบตเตอรี่ซิลิกอน แน่นอนราคาค่อนข้างสูง แต่สามารถวางแผงบนหลังคาและผนังของบ้านซึ่งจะไม่รบกวนใคร และประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ดังกล่าวปฏิเสธไม่ได้
แต่วิธีที่ดีที่สุดในการเพิ่มความนิยมของพลังงานแสงอาทิตย์คือทำให้ราคาถูกลง นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันได้เสนอให้แทนที่ซิลิกอนด้วยเส้นใยสังเคราะห์ที่สามารถรวมเข้ากับผ้าหรือวัสดุอื่นๆ ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ดังกล่าวไม่สูงมาก แต่เสื้อที่ผสมเส้นใยสังเคราะห์อย่างน้อยก็สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับสมาร์ทโฟนหรือเครื่องเล่นได้ งานกำลังดำเนินการอย่างแข็งขันในด้านนาโนเทคโนโลยี มีแนวโน้มว่าดวงอาทิตย์จะเป็นแหล่งพลังงานที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในศตวรรษนี้ ผู้เชี่ยวชาญของ Scates AS จากนอร์เวย์ระบุแล้วว่านาโนเทคโนโลยีจะลดต้นทุนแผงโซลาร์ได้ถึง 2 เท่า
พลังงานแสงอาทิตย์สำหรับบ้าน
การอยู่อาศัยด้วยตนเองเป็นความฝันของหลาย ๆ คน: ไม่ต้องพึ่งพาระบบทำความร้อนจากส่วนกลาง ไม่มีปัญหาในการจ่ายบิล และไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม หลายประเทศกำลังสร้างที่อยู่อาศัยอย่างแข็งขันซึ่งใช้พลังงานที่ได้รับจากแหล่งอื่นเท่านั้น ตัวอย่างที่เด่นชัดคือโซลาร์เฮาส์ที่เรียกว่าโซลาร์เฮาส์
ระหว่างก่อสร้างต้องใช้เงินลงทุนมากกว่าแบบเดิมๆ แต่หลังจากดำเนินการมาหลายปีแล้ว ค่าใช้จ่ายทั้งหมดจะได้รับการชำระ คุณจะไม่ต้องจ่ายค่าทำความร้อน น้ำร้อน และค่าไฟฟ้า ในบ้านพลังงานแสงอาทิตย์ การสื่อสารทั้งหมดเหล่านี้เชื่อมโยงกับแผงโซลาร์เซลล์พิเศษที่วางอยู่บนหลังคา นอกจากนี้ แหล่งพลังงานที่ได้รับด้วยวิธีนี้ไม่เพียงแต่ใช้จ่ายกับความต้องการในปัจจุบันเท่านั้น แต่ยังสะสมเพื่อใช้ในเวลากลางคืนและในสภาพอากาศที่มีเมฆมากอีกด้วย
ปัจจุบัน การก่อสร้างบ้านดังกล่าวไม่เพียงแต่ดำเนินการในประเทศใกล้กับเส้นศูนย์สูตรเท่านั้น ซึ่งเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการรับพลังงานแสงอาทิตย์ พวกเขายังถูกสร้างขึ้นในแคนาดา ฟินแลนด์ และสวีเดน
ข้อดีและข้อเสีย
การพัฒนาเทคโนโลยีที่อนุญาตให้ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ได้ทุกที่อาจใช้งานได้มากขึ้น แต่มีสาเหตุบางประการที่ทำให้สิ่งนี้ยังไม่มีความสำคัญ ดังที่เราได้กล่าวไว้ข้างต้น ในระหว่างการผลิตแผงจะมีการผลิตสารที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม นอกจากนี้ อุปกรณ์สำเร็จรูปยังประกอบด้วยแกลเลียม สารหนู แคดเมียม และตะกั่ว
ความจำเป็นในการรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์ทำให้เกิดคำถามมากมาย หลังจากใช้งานมา 50 ปี พวกมันจะใช้งานไม่ได้และจะต้องถูกทำลายอย่างใด มันจะก่อให้เกิดอันตรายอย่างใหญ่หลวงต่อธรรมชาติหรือไม่? นอกจากนี้ยังควรพิจารณาด้วยว่าพลังงานแสงอาทิตย์เป็นทรัพยากรที่ไม่แน่นอน ซึ่งประสิทธิภาพจะขึ้นอยู่กับช่วงเวลาของวันและสภาพอากาศ และนี่คือข้อเสียเปรียบที่สำคัญ
แต่แน่นอนว่ายังมีข้อดีอยู่ พลังงานแสงอาทิตย์สามารถขุดได้เกือบทุกที่บนโลก และอุปกรณ์ในการผลิตและแปลงพลังงานจากแสงอาทิตย์อาจมีขนาดเล็กพอที่จะใส่ไว้ที่ด้านหลังของสมาร์ทโฟนได้ ที่สำคัญกว่านั้นคือทรัพยากรหมุนเวียน กล่าวคือ ปริมาณพลังงานแสงอาทิตย์จะยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเป็นเวลาอย่างน้อยอีกพันปี
อนาคต
การพัฒนาเทคโนโลยีในด้านพลังงานแสงอาทิตย์ควรนำไปสู่การลดต้นทุนในการสร้างองค์ประกอบ แผงกระจกปรากฏขึ้นแล้วซึ่งสามารถติดตั้งบนหน้าต่างได้ การพัฒนานาโนเทคโนโลยีทำให้สามารถประดิษฐ์สีที่จะพ่นบนแผงโซลาร์เซลล์และแทนที่ชั้นซิลิกอนได้หากต้นทุนพลังงานแสงอาทิตย์ลดลงจริง ๆ หลายเท่า ความนิยมก็จะเพิ่มขึ้นหลายเท่าเช่นกัน
การสร้างแผงขนาดเล็กสำหรับการใช้งานส่วนบุคคลจะช่วยให้ผู้คนใช้พลังงานแสงอาทิตย์ได้ในทุกสภาพแวดล้อม - ที่บ้าน ในรถ หรือแม้แต่นอกเมือง ต้องขอบคุณการกระจายของมัน ภาระในโครงข่ายไฟฟ้าแบบรวมศูนย์จะลดลง เนื่องจากผู้คนสามารถชาร์จอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กได้ด้วยตนเอง
ผู้เชี่ยวชาญของเชลล์เชื่อว่าภายในปี 2040 พลังงานประมาณครึ่งหนึ่งของโลกจะถูกสร้างขึ้นจากทรัพยากรหมุนเวียน ตอนนี้ในเยอรมนีแล้ว การบริโภคพลังงานแสงอาทิตย์กำลังเติบโตอย่างแข็งขัน และพลังงานแบตเตอรี่มากกว่า 35 กิกะวัตต์ ญี่ปุ่นกำลังพัฒนาอุตสาหกรรมนี้อย่างแข็งขัน ทั้งสองประเทศนี้เป็นผู้นำด้านการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ของโลก สหรัฐอเมริกาน่าจะเข้าร่วมเร็วๆ นี้
แหล่งพลังงานทางเลือกอื่นๆ
นักวิทยาศาสตร์อย่าหยุดงงกับสิ่งอื่นที่สามารถนำมาใช้ผลิตไฟฟ้าหรือความร้อนได้ นี่คือตัวอย่างแหล่งพลังงานทางเลือกที่มีแนวโน้มดีที่สุด
กังหันลมสามารถพบได้ในเกือบทุกประเทศ แม้แต่ตามท้องถนนในเมืองต่างๆ ของรัสเซีย มีการติดตั้งโคมไฟที่ให้พลังงานลมแก่ตัวเอง แน่นอนว่าค่าใช้จ่ายของพวกเขาสูงกว่าค่าเฉลี่ย แต่เมื่อเวลาผ่านไปพวกเขาจะชดเชยความแตกต่างนี้
เมื่อนานมาแล้ว มีการคิดค้นเทคโนโลยีที่ช่วยให้คุณได้รับพลังงานโดยใช้ความแตกต่างของอุณหภูมิน้ำที่ผิวมหาสมุทรและที่ระดับความลึก จีนกำลังพัฒนาทิศทางนี้อย่างแข็งขัน ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า นอกชายฝั่งของอาณาจักรกลาง พวกเขากำลังจะสร้างโรงไฟฟ้าที่ใหญ่ที่สุดที่ใช้เทคโนโลยีนี้ มีวิธีอื่นในการใช้ทะเล ตัวอย่างเช่น ในออสเตรเลีย พวกเขาวางแผนที่จะสร้างโรงไฟฟ้าที่สร้างพลังงานจากกระแสน้ำ
สามารถผลิตไฟฟ้าหรือความร้อนได้อีกหลายวิธี แต่เมื่อเทียบกับพื้นหลังของตัวเลือกอื่นๆ มากมาย พลังงานแสงอาทิตย์เป็นทิศทางที่สดใสในการพัฒนาวิทยาศาสตร์จริงๆ