Вы в ловушке. Тропинка в лесу обернулась западней. Ваш автомобиль еле ползет на последнем глотке топлива, батарея телефона разряжена, а вы никому не сообщили о своих планах. Тихое потрескивание предупреждения от телефона звучит скорее как обратный отсчет, чем как техническое уведомление.
Вот деревья расступаются. Впереди раскидывается залитая солнцем поляна. Вы паркуетесь, выходите из машины и поднимаете голову. Ясное небо. Ни облачка. Вы тянетесь к перчаточному ящику, достаете солнечное зарядное устройство и подключаете его к телефону. Поворачиваете панель к солнцу. Опора — на пень. Ждете. У вас есть время почитать. Помощь уже в пути, ее источник — солнце.
До 2010 года такая ситуация могла закончиться плохо. Вы бы остались без связи и без возможности зарядить устройство. Сегодня это не так. Компании заваливают рынок устройствами, использующими солнечную энергию для зарядки всего: от смартфонов до батареек формата AA.
Давайте разберемся, как именно работают эти устройства.
Зміст
Физика: от света к электричеству
Солнечные зарядные устройства не производят энергию. Они преобразуют ее. Основной компонент — фотоэлектрическая ячейка. Обычно они состоят из кремния, покрытого слоями материалов с положительным и отрицательным зарядом. Когда солнечный свет попадает на ячейку, фотоны выбивают электроны. Это создает электрический ток.
Это не магия. Это физика.
Важна эффективность. Дешевые панели имеют низкий коэффициент преобразования. Они теряют большую часть солнечного света, падающего на них. Более качественные панели используют многослойные ячейки или кремний высшего сорта, чтобы захватывать больше энергии. Именно поэтому некоторые зарядные устройства работают только на прямом солнце, но не работают в тени. Также важную роль играет угол падения солнечных лучей. Для максимальной отдачи требуется прямое воздействие света.
Накопление: недостающее звено
Солнечный свет не постоянен. Погода меняется. Дождь. Облака плывут. Самодельное солнечное зарядное устройство бесполезно, если оно не может накапливать энергию. Именно поэтому большинство современных устройств оснащены встроенным аккумулятором.
Солнечная панель заряжает внутренний аккумулятор в течение дня. Вы можете использовать накопленную энергию для зарядки телефона ночью или в темноте. Это разделение процессов — ключевой момент. Оно позволяет собирать энергию, когда ее много, и использовать ее, когда это необходимо.
Некоторые устройства высокого класса имеют аккумуляторы большой емкости, способные зарядить ваш телефон несколько раз. Также существуют тонкие гибкие полосы, которые можно прикрепить непосредственно к ноутбуку или сумке. Хотя внешние размеры меняются, принцип остается прежним: улавливать свет. Накопить энергию. Отдать ее позже.
Почему это важно для обычных пользователей
Большинство людей считают солнечные зарядные устройства спецоборудованием для туристов. Это устаревшее мнение. На самом деле, они еще лучше подходят для повседневного использования.
Возьмем, к примеру, автомобилистов-коммутеров. Оставьте машину на солнце на весь день. Вы можете держать внешний аккумулятор полностью заряженным, прикрепив небольшую панель к приборной панели или сумке. Подключите телефон по дороге домой. Розетка не нужна.
Или пассажиры. В вашем городе дорогие и ненадежные магазины. С солнечным зарядным устройством вы можете оставаться на связи, не ища кофейню. Речь идет о независимости. Вам не нужно беспокоиться об уровне заряда батареи, даже если вы далеко от дома.
Технология созрела. Панели стали легче. Аккумуляторы — мощнее. Цены упали. Это уже не только инструмент для выживальщиков. Идеально подходит для тех, кто ценит свободу от ограничений.
Солнце светит на Землю уже миллиарды лет. Люди лишь недавно научились преобразовывать неумолимое тепло и свет в реальное электричество. Всё началось в 1954 году с солнечного элемента, созданного в лабораториях Bell. Изначально они предназначались для питания спутников на орбите, были дорогими и громоздкими. А сейчас? Они достаточно малы, чтобы поместиться в рюкзак. Но как мы получаем энергию из света?
Всё дело в электронах.
Электричество — это просто движение электронов. Обычно они ограничены орбитой вокруг ядра атома. Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, которые являются основными строительными блоками всего, к чему мы можем прикоснуться. Некоторые вещества крепко удерживают электроны. Если придать им достаточный импульс, другие вещества отпустят их.
На сцену выходят фотоны.
Фотоны — это порции световой энергии. Когда солнечный свет попадает на солнечный элемент, эти фотоны ударяют по атомам кремния. Кремний является основным материалом для большинства панелей. Удар ослабляет связь электронов. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом.
Но свободные электроны не принесут большой пользы, если им некуда двигаться. Свободные электроны сами по себе мало полезны. Здесь на помощь приходит легирование.
Производители добавляют в кремний примеси, такие как бор и фосфор. Это создает дисбаланс. Положительные и отрицательные заряды разделяются, и формируется внутреннее электрическое поле. Когда фотоны попадают на элемент, электрическое поле толкает высвобожденные электроны к передней части ячейки. Задняя сторона заряжена положительно.
Подключите внешнюю цепь, и вот оно. Электроны текут.
Они проходят через разъемы устройства и питают его. Один элемент вырабатывает лишь 1–2 ватта. Этого недостаточно для чего-то серьезного. Поэтому многие элементы соединяют в модули. Эти модули генерируют достаточно энергии для зарядки аккумулятора.
Химия хранения
Солнечные панели обычно не подключаются напрямую к литий-ионным батареям телефона. Это было бы неудобно. Колебания напряжения, перегрев и снижение мощности передачи. Нет.
Большинство солнечных зарядных устройств имеют собственный встроенный аккумулятор.
Он собирает энергию через солнечные модули и накапливает ее во вторичной батарее (обычно литий-ионной или другого химического типа). Затем он отдает эту накопленную энергию вашему гаджету. Это буферная система. Вы заряжаете зарядное устройство, а зарядное устройство заряжает ваш телефон. Подключение к электросети не требуется.
Когда вы заряжаете литий-ионный аккумулятор, ионы перемещаются от лития к углероду. Обратное восстановление этого потока восстанавливает потенциал батареи. Солнечные зарядные устройства делают то же самое, но источником является солнце.
Такая конфигурация имеет очевидные преимущества для людей, находящихся вне сети электроснабжения, или для тех, кто устал искать розетки.
Преимущества солнечного зарядного аккумулятора
Почему важна солнечная энергия
Независимость и чистота солнечной зарядки
Главное преимущество — простота. Для зарядки не требуется розетка. Это обеспечивает настоящую мобильность. Днём солнечный свет можно найти почти везде. Если батарея вашего телефона разрядилась, а вы оказались в глуши, солнце становится вашим источником энергии.
Есть и более тонкие преимущества. Солнечные элементы не производят выбросов.
Нет отходов или побочных продуктов.
Фотоны, которые не поглощаются, либо проходят сквозь кремний, либо отражаются от него.
Этот процесс основан на фотоэлектрическом эффекте. Энергия передаётся от фотонов электронам.
Это позволяет электронам свободно перемещаться. Сама по себе электричество не является источником энергии. Это носитель энергии. В создании таким образом нет никаких проблем.
Почему сетевое питание не всегда «чистое»
Электричество, которое мы получаем из сети, часто не является чистым. Возьмём для примера США в 2008 году. Почти половина электроэнергии производится путём сжигания угля. Уголь дёшев. Его легко использовать. Однако загрязнение окружающей среды — серьёзная проблема.
По оценкам Агентства по охране окружающей среды США (EPA), 59% диоксида серы в воздухе производится угольными электростанциями. Также они генерируют 50% загрязнения взвешенными частицами. Загрязнение ртутью также вызывает серьёльную озабоченность. Солнечная зарядка позволяет избежать всех этих проблем.
Компромиссы фотоэлектрической технологии
Свобода и чистота — главные преимущества. Однако есть и недостатки. Солнца нет около половины суток. То же самое верно и за пределами полярных регионов. Ночью солнечные устройства бесполезны.
Важную роль играет также погода. Густая облачность снижает эффективность. Даже при ярком солнечном свете большинство коммерчески доступных солнечных элементов имеют КПД всего около 10%. Именно поэтому они заряжают медленнее, чем стандартное сетевое зарядное устройство. Полная зарядка занимает больше времени.
Стоит ли оно того?
Несмотря на медленную скорость, польза очевидна. Солнечное зарядное устройство может быть очень полезным, если вы застряли в лесу. Оно работает даже в тех случаях, когда другие методы не работают.
Вы можете узнать больше о гаджетах и смежных технологиях в следующих разделах.
