Ви у пастці. Стежка в лісі обернулася на пастку. Ваш автомобіль ледве повзе на останньому ковтку палива, акумулятор телефону розряджений, а ви нікому не повідомили про свої плани. Тихе потріскування попередження від телефону звучить швидше як зворотний відлік, ніж технічне повідомлення.
Ось дерева розступаються. Попереду розкидається залита сонцем галявина. Ви паркуєтеся, виходите з машини та підводите голову. Ясно небо. Ні хмарки. Ви тягнетесь до ящика рукавички, дістаєте сонячний зарядний пристрій і підключаєте його до телефону. Повертаєте панель до сонця. Опора – на пень. Чекаєте. Ви маєте час почитати. Допомога вже в дорозі, її джерело – сонце.
До 2010 року така ситуація могла скінчитися погано. Ви залишилися б без зв’язку і без можливості зарядити пристрій. Сьогодні це негаразд. Компанії завалюють ринок пристроями, що використовують сонячну енергію для заряджання всього: від смартфонів до батарейок формату AA.
Давайте розберемося, як працюють ці пристрої.
Зміст
Фізика: від світла до електрики
Сонячні зарядні пристрої не виробляють енергію. Вони перетворять її. Основний компонент – фотоелектричний осередок. Зазвичай вони складаються з кремнію, покритого шарами матеріалів із позитивним та негативним зарядом. Коли сонячне світло потрапляє на комірку, фотони вибивають електрони. Це створює електричний струм.
Не магія. Це фізика.
Важлива ефективність. Дешеві панелі мають низький коефіцієнт перетворення. Вони втрачають більшу частину сонячного світла, що падає на них. Більш якісні панелі використовують багатошарові осередки чи кремній вищого гатунку, щоб захоплювати більше енергії. Саме тому деякі зарядні пристрої працюють лише на прямому сонці, але не працюють у тіні. Також важливу роль відіграє кут падіння сонячних променів. Для максимальної віддачі потрібна пряма дія світла.
Накопичення: недостатня ланка
Сонячне світло не постійне. Погода міняється. Дощ. Хмари пливуть. Саморобний сонячний зарядний пристрій марний, якщо він не може накопичувати енергію. Саме тому більшість сучасних пристроїв оснащені вбудованим акумулятором.
Сонячна панель заряджає внутрішній акумулятор протягом дня. Ви можете використовувати накопичену енергію для заряджання телефону вночі або в темряві. Цей поділ процесів є ключовим моментом. Воно дозволяє збирати енергію, коли її багато, та використовувати її, коли це необхідно.
Деякі пристрої високого класу мають акумулятори великої ємності, які можуть зарядити ваш телефон кілька разів. Також існують тонкі гнучкі смуги, які можна прикріпити безпосередньо до ноутбука чи сумки. Хоча зовнішні розміри змінюються, принцип залишається тим самим: вловлювати світло. Накопичити енергію. Віддати її згодом.
Чому це важливо для звичайних користувачів
Більшість людей вважають сонячні зарядні пристрої спецобладнанням для туристів. Це застаріла думка. Насправді вони ще краще підходять для повсякденного використання.
Візьмемо, наприклад, автомобілістів-коммутерів. Залишіть машину на сонці на весь день. Ви можете тримати зовнішній акумулятор повністю зарядженим, прикріпивши невелику панель до панелі приладів або сумки. Підключіть телефон дорогою додому. Розетка не потрібна.
Або пасажири. У вашому місті дорогі та ненадійні магазини. З сонячним зарядним пристроєм ви можете залишатися на зв’язку, не шукаючи кав’ярню. Йдеться про незалежність. Вам не потрібно турбуватися про рівень заряду батареї, навіть якщо ви далеко від дому.
Технологія дозріла. Панелі стали легшими. Акумулятори потужніші. Ціни впали. Це вже не лише інструмент для виживачів. Ідеально підходить для тих, хто цінує свободу від обмежень.
Сонце світить Землю вже мільярди років. Люди лише недавно навчилися перетворювати невблаганне тепло та світло на реальну електрику. Все почалося в 1954 році з “сонячного елемента”, створеного в лабораторіях Bell. Спочатку вони призначалися для харчування супутників на орбіті, були дорогими та громіздкими. А зараз? Вони досить малі, щоб поміститися у рюкзак. Але як ми отримуємо енергію зі світла?
Вся справа в електронах.
Електрика – це просто рух електронів. Зазвичай вони обмежені орбітою довкола ядра атома. Атомне ядро складається з протонів і нейтронів, які є основними будівельними блоками всього, чого ми можемо доторкнутися. Деякі речовини міцно утримують електрони. Якщо їм додати достатній імпульс, інші речовини відпустять їх.
На сцену виходять фотони.
Фотони – це порції світлової енергії. Коли сонячне світло потрапляє на сонячний елемент, ці фотони ударяють атомами кремнію. Кремній є основним матеріалом більшості панелей. Удар послаблює зв’язок електронів. Це явище називається фотоелектричним ефектом.
Але вільні електрони не принесуть великої користі, якщо їм нема куди рухатися. Вільні електрони власними силами мало корисні. Тут на допомогу приходить легування.
Виробники додають у кремній домішки, такі як бор та фосфор. Це створює дисбаланс. Позитивні та негативні заряди поділяються, і формується внутрішнє електричне поле. Коли фотони потрапляють на елемент, електричне поле штовхає звільнені електрони до передньої частини комірки. Задня сторона заряджена позитивно.
Підключіть зовнішній ланцюг, і ось воно. Електрони течуть.
Вони проходять через роз’єми пристрою та живлять його. Один елемент виробляє лише 1-2 вати. Цього недостатньо для чогось серйозного. Тому багато елементів з’єднують у модулі. Ці модулі генерують достатньо енергії для заряджання акумулятора.
Хімія зберігання
Сонячні панелі зазвичай не підключаються безпосередньо до літій-іонних батарей телефону. Це було б незручно. Коливання напруги, перегрів та зниження потужності передачі. Ні.
Більшість сонячних пристроїв мають власний вбудований акумулятор.
Він збирає енергію через сонячні модулі та накопичує її у вторинній батареї (зазвичай літій-іонної або іншого хімічного типу). Потім він віддає цю накопичену енергію вашому гаджету. Це буферна система. Заряджайте зарядний пристрій, а зарядний пристрій заряджає телефон. Підключення до електромережі не потрібне.
Коли ви заряджаєте літій-іонний акумулятор, іони переміщуються від літію до вуглецю. Зворотне відновлення цього потоку відновлює потенціал батареї. Сонячні зарядні пристрої роблять те саме, але джерелом є сонце.
Така конфігурація має очевидні переваги для людей, які знаходяться поза мережею електропостачання, або для тих, хто втомився шукати розетку.
Переваги сонячного зарядного акумулятора
Чому важлива сонячна енергія
Незалежність та чистота сонячної зарядки
Головна перевага – простота. Для заряджання не потрібна розетка. Це забезпечує реальну мобільність. Вдень сонячне світло можна знайти майже скрізь. Якщо батарея телефону розрядилася, а ви опинилися в глушині, сонце стає вашим джерелом енергії.
Є й тонші переваги. Сонячні елементи не викидають.
Немає відходів чи побічних продуктів.
Фотони, які не поглинаються або проходять крізь кремній, або відбиваються від нього.
Цей процес ґрунтується на фотоелектричному ефекті. Енергія передається від фотонів електронів.
Це дозволяє електронам вільно переміщатися. Сама собою електрика перестав бути джерелом енергії. Це є носій енергії. У створенні у такий спосіб немає жодних проблем.
Чому мережеве харчування не завжди «чисте»
Електрика, яку ми отримуємо з мережі, часто не чиста. Візьмемо для прикладу США 2008 року. Майже половина електроенергії провадиться шляхом спалювання вугілля. Вугілля дешеве. Його легко використати. Проте забруднення довкілля — серйозна проблема.
За оцінками Агентства з охорони навколишнього середовища США (EPA), 59% діоксиду сірки у повітрі виробляється вугільними електростанціями. Також вони генерують 50% забруднення завислими частинками. Забруднення ртуттю також викликає серйозне занепокоєння. Сонячна зарядка дозволяє уникнути всіх цих проблем.
Компроміси фотоелектричної технології
Свобода та чистота – головні переваги. Проте є недоліки. Сонця немає близько половини доби. Те саме вірно і за межами полярних регіонів. Вночі сонячні пристрої марні.
Важливу роль також відіграє погода. Густа хмарність знижує ефективність. Навіть за яскравого сонячного світла більшість комерційно доступних сонячних елементів мають ККД всього близько 10%. Саме тому вони заряджають повільніше, ніж стандартний зарядний пристрій. Повна зарядка займає більше часу.
Чи варто воно того?
Незважаючи на повільну швидкість, користь очевидна. Сонячний зарядний пристрій може бути дуже корисним, якщо ви застрягли у лісі. Воно працює навіть у випадках, коли інші методи не працюють.
Ви можете дізнатися більше про гаджети та суміжні технології в наступних розділах.
