Kto wynalazł panele fotowoltaiczne? Kiedy miało miejsce to przełomowe odkrycie? Pytania te, jak wiele innych, stanowią klucz do zrozumienia fascynującej historii paneli fotowoltaicznych, które odmieniły sposób, w jaki korzystamy z energii słonecznej. W dzisiejszym artykule postaramy się na nie odpowiedzieć, ukazując historię i ewolucję tej technologii, która zrewolucjonizowała energetykę i wpłynęła na nasz sposób życia.
Od momentu, w którym po raz pierwszy zrodził się pomysł na wykorzystanie energii słonecznej do wytwarzania elektryczności, minęło wiele lat. Prześledzimy wspólnie etapy tego rozwoju, przybliżając sylwetki pionierów i odkrywców, którzy mieli kluczowy wpływ na rozwój paneli fotowoltaicznych. Odkrycie to jest nie tylko przykładem wyjątkowej inżynierii, ale także próbą odpowiedzi na globalne wyzwania związane z energetyką, zmianami klimatycznymi i zrównoważonym rozwojem.
Czytając ten artykuł, poznasz historię, która w znaczący sposób wpłynęła na kształtowanie współczesnego świata, a także zrozumiesz, jak innowacje w dziedzinie paneli fotowoltaicznych pomagają nam osiągać cele zrównoważonego rozwoju oraz chronić naszą planetę. Zapraszamy do odkrycia fascynującej historii paneli fotowoltaicznych oraz odpowiedzi na pytania, które postawiliśmy na samym początku tego tekstu.
Jak William Grylls Adams i jego uczeń Richard Evans Day odkryli mechanikę kwantową
W 1839 roku, francuski fizyk Alexandre Edmond Becquerel, eksperymentując z elektrodami metalowymi i elektrolitem, dokonał odkrycia, że przewodnictwo elektryczne wzrasta w obecności światła, a co za tym idzie, że niektóre materiały wytwarzają niewielkie ilości prądu elektrycznego po wystawieniu na działanie światła. Odkrycie to stało się bodźcem do dalszych badań i zainteresowania tematyką energii słonecznej.
W 1876 roku brytyjski fizyk William Grylls Adams i jego uczeń, Richard Evans Day odkryli, że impuls elektryczny może być wytwarzany podczas ekspozycji na światło materiałów wykonanych z selenu. Ich pionierska praca była zapowiedzią mechaniki kwantowej na długo zanim większość chemików i fizyków zaakceptowała istnienie atomów. Chociaż selenowe ogniwa słoneczne nie potrafiły przekształcić wystarczającej ilości światła słonecznego w energię elektryczną potrzebną do zasilania urządzeń elektrycznych, udowodniły, że stały materiał może zmienić światło w elektryczność bez ciepła lub ruchu.
W 1904 roku znany wszystkim Albert Einstein opublikował swoją pracę opisującą naturę światła i efekt fotowoltaiczny. Wykazał w niej, że światło to strumień cząstek – fotonów, z których każdy niesie ściśle określoną porcję energii – kwant energii. Foton oddziałując na elektron znajdujący się na powierzchni płytki metalowej, przekazuje mu całą swą energię. Gdy energia fotonu jest większa od energii wiązania elektronu, elektron zostaje wyrwany z powierzchni płytki i zachodzi zjawisko fotowoltaiczne. Za to odkrycie Einstein otrzymał nagrodę Nobla. W 1916 roku Amerykanin Robert Millikan poparł teorię Einsteina, przedstawiając doświadczalny dowód istnienia zjawiska fotowoltaicznego.
W historii rozwoju fotowoltaiki zapisał się również nasz rodak Jan Czochralski, który w 1918 roku odkrył metodę produkcji krzemu monokrystalicznego. Osiągnięcie Polaka umożliwiło wytwarzanie monokrystalicznych ogniw słonecznych. Pierwsze takie ogniwo krzemowe zostało zbudowane w 1941 roku.
Gerald Pearson, Daryl Chapin i pierwszy moduł fotowoltaiczny
Kilkanaście lat później, w 1954 roku w oddziale badawczym Bell Laboratories powstał pierwszy panel fotowoltaiczny. Naukowcy Gerald Pearson, Daryl Chapin i Calvin Fuller opracowali pierwsze krzemowe ogniwa słoneczne zdolne do generowania mierzalnego prądu elektrycznego. Ogniwa te miały sprawność na poziomie 6% i służyły do zasilania wiatraka zabawki oraz radia. The New York Times opisał to odkrycie jako “początek nowej ery, prowadzącej ostatecznie do realizacji wykorzystania niemal nieograniczonej energii słońca do zastosowań cywilizacyjnych”. Wysokie koszty wytwarzania ogniw oraz ich niska efektywność powodowały, że osiągnięcie traktowano bardziej jako ciekawostkę technologiczną niż coś, co mogłoby być powszechnie używane.
Ogniwa fotowoltaiczne w kosmosie
W 1958 roku Armia Amerykańska i Air Force postanowiły wykorzystać ogniwa fotowoltaiczne jako źródło zasilania dla ściśle tajnego projektu – orbitujących wokół Ziemi satelitów. Jednak, gdy marynarka wojenna otrzymała zadanie uruchomienia pierwszego amerykańskiego satelity, uznała ogniwa słoneczne za technologię niesprawdzoną i zdecydowała się użyć baterii chemicznych jako źródła zasilania dla satelity Vanguard. Przeciwny tej teorii był doktor Hans Ziegler, który twierdził, że konwencjonalne baterie wyczerpią się w ciągu kilku dni, podczas gdy ogniwa słoneczne mogłyby zasilać satelitę przez lata. To dzięki niemu ostatecznie jako kompromis w satelicie Vanguard I zastosowano podwójny system zasilania: bateriami chemicznymi oraz krzemowymi ogniwami słonecznymi. Tak jak przewidywał Ziegler, baterie chemiczne zawiodły po mniej więcej tygodniu, podczas gdy krzemowe ogniwa słoneczne przetrwały wiele lat.
Słoneczny transport
Coraz tańsze, lżejsze i efektywniejsze ogniwa słoneczne pozwoliły inżynierom myśleć o wykorzystaniu ich do zasilania pojazdów. Pierwszy model słonecznego samochodu pokazano już w 1955 r. Trudno jednak nazwać Sunmobile, stworzony przez General Motors, praktycznym pojazdem: miał zaledwie 30 centymetrów długości i był napędzany silniczkiem zasilanym przez 12 selenowych ogniw fotowoltaicznych.
Dzięki kosmicznym postępom w słonecznej technologii, w latach 80. ogniwa były już jednak dostatecznie lekkie i efektywne, by zasilać pełnowymiarowy pojazd. W 1987 r. ruszył pierwszy na świecie wyścig solarnych pojazdów. Pierwszy Pentax World Solar Challenge, wiodący po pustynnych drogach Australii, wygrał pojazd General Motors Sunracer pokonując trasę ze średnią prędkością 71 km na godzinę. Zawody rozgrywane są do dziś. W ostatnich, z 2019 r., zwyciężył belgijski zespół Agoria Solar Team, którego samochód Bluepoint liczącą 3 tys. kilometrów trasę pokonał ze średnią prędkością 86 km na godzinę.
Słońce może zasilać nie tylko samochody. Już w 1981 r. wynalazca Paul MacCready zbudował pierwszy zasilany energią słoneczną samolot. Solar Challenger, wyposażony w 16 tys. ogniw produkujących 3 kilowaty mocy, przeleciał nad Kanałem La Manche. W 2015 i 2016 r., inny słoneczny samolot, Solar Impulse 2, obleciał cały świat, wykonując 17 lotów między miastami odległymi od siebie nawet o 9 tys. kilometrów. Ta maszyna dysponowała 17 tys. ogniw o mocy 66 kilowatów. Nieco wcześniej, bo w 2012 r. świat opłynęła zasilana ogniwami słonecznymi łódź PlanetSolar.
Fotowoltaika wczoraj i dziś
W latach 60-tych dzięki NASA rozkwitło wykorzystanie ogniw słonecznych w kosmosie. Wizja elektryczności ze Słońca na Ziemi wydawała się bardzo odległa, przede wszystkim ze względu na ogromne koszty. W kosmosie natomiast cena nie była istotnym czynnikiem. Dla inżynierów zmartwieniem były rozmiar, wydajność i trwałość.
Lata 70-te przyniosły ponad 80% obniżkę kosztów związanych z produkcją paneli PV. Moduły fotowoltaiczne zaczęły zasilać latarnie morskie, przejazdy kolejowe i budynki, których podłączenie do sieci było zbyt kosztowne. Ciągła poprawa wydajności i obniżanie cen pozwoliło na to, by w kolejnym dziesięcioleciu niewielkie ogniwa solarne pojawiły się w dużej części gospodarstw domowych, przede wszystkim zasilając kalkulatory, radia, zegarki i latarki.
Przełom w światowym rynku energii słonecznej przyniosły dopiero lata 90-te. Wówczas powstały pierwsze autonomiczne i podłączone do sieci instalacje oraz zostały wprowadzone dotacje na ten cel w Niemczech i Japonii. W 2000 roku rozpoczęto masową produkcję paneli fotowoltaicznych.
Współcześnie, ogniwa fotowoltaiczne osiągają sprawność konwersji promieniowania słonecznego na energię elektryczną na poziomie 20%. Fotowoltaika w ostatnich latach przeżywa intensywny rozwój. Łącznie w polskim systemie elektroenergetycznym pracuje już ponad 155 000 mikroinstalacji fotowoltaicznych. W 2018 roku do sieci zostało przyłączonych ponad 27 000 nowych mikroinstalacji o łącznej mocy 164 MWp, a w 2019 roku kolejnych 100 000 nowych mikroinstalacji o łącznej mocy 647 MWp. Obserwując wzrost jaki nastąpił w rozwoju branży fotowoltaiki w ostatnich latach i biorąc pod uwagę nieograniczony potencjał Słońca, można przewidywać że w niedalekiej przyszłości fotowoltaika będzie najbardziej rozpowszechnionym z odnawialnych źródeł energii. Prognozuje się, że w 2022 roku zainstalowane będą panele fotowoltaiczne o sumarycznej mocy około 150 GWp.
Najstarsza instalacja fotowoltaiczna w Europie.
Najstarszy system fotowoltaiczny, który podłączono do sieci w Europie, działa od maja 1982 roku w Szwajcarii.
Cała instalacja zajmuje niemal 500 metrów kwadratowych. Dziś na tej samej powierzchni dałoby się zainstalować panele fotowoltaiczne o mocy ponad 100 kW, ale czterdzieści lat temu 10 kW było nadzwyczaj wysoką wartością. Cena również musiała być odpowiednia, skoro w modułach zastosowano te same ogniwa Arco Solar, które stosowano wtedy wystrzeliwanych na orbitę satelitach.
Rok 1982 w rozwoju technologii fotowoltaicznej może wydawać się prehistorią. Właśnie wtedy uruchomiono w Lugano w Szwajcarii pierwszy w Europie, on-gridowy system fotowoltaiczny.
Instalacja zbudowana przez naukowców ze szwajcarskiego instytutu SUPSI (Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana) miała moc 10 kW i bazowała na zupełnie archaicznych, jak na obecne warunki, komponentach.
Instalacja składała się pierwotnie z 288 krystalicznych modułów marki Arco Solar, o jednostkowej mocy zmierzonej w warunkach STC rzędu niemal 37 W, o łącznej mocy 10,656 kWp.
W 1992 roku, po wymianie falownika z urządzenia marki Abacus o mocy 10 kW, na falownik marki Ecopower o mocy 15 kW, zredukowano liczbę modułów do 252, a całkowita moc instalacji zmniejszyła się do 9,324 kWp.
Wchodzące w jego skład moduły są co jakiś czas badane pod kątem powstałych uszkodzeń i osiąganych uzysków energii. Gdy zbadano instalację po 35 latach eksploatacji, zauważono ślady upływu czasu: korozję, wypalone miejsca, spękania ogniw, uszkodzenia przewodów elektrycznych. Najistotniejszy wpływ na sprawność ogniw miało starzenie się zastosowanego tworzywa, PVB, butyral poliwinylu, w którym zatopiono moduły półprzewodnikowe wytwarzające elektryczność. Jednak większość paneli (60-70 procent, w zależności od przyjętej metody pomiaru) działała bez zarzutu i dostarczała wtedy w sumie 80 procent założonej mocy. Degradacja w grupach wynosiła odpowiednio -0,2 proc. i -0,69 proc. potencjału ogniw.
A Wy, drodzy Czytelnicy, znacie jakieś ciekawe fakty dotyczące historii energii słonecznej i jej wykorzystania? Czekamy na Wasze komentarze!
Jeśli potrzebujecie profesjonalnej konsultacji dotyczącej instalacji fotowoltaicznej na Waszym terenie, zachęcamy do kontaktu z nami pod numerem +48 518 618 058 lub wypełnienia prostego formularza, który znajdziesz klikając tutaj.
Aby sprawdzić, gdzie się znajdujemy, wystarczy kliknąć tutaj, a zostaniesz przeniesiony na mapę, gdzie znajdziesz dokładny adres i wskazówki dojazdu. Zapraszamy również do sprawdzenia naszego fanpage.
Najwięcej realizacji instalacji fotowoltaicznych, magazynów energii i pomp ciepła mamy w: Mikołów, Orzesze, Łaziska, Wyry, Ornontowice, Paniówki, Chudów, Katowice, Tychy, Ruda Śląska, Lędziny, Żory, Bieruń, Chorzów, Rybnik, Istebna, Wisła, Żywiec, Będzin, Kobiór, Sosnowiec, Gliwice, Zabrze, Bytom, Siemianowice Śląskie, Mysłowice, Częstochowa, Jastrzębie-Zdrój, Pszczyna i nie tylko…
2 Responses
Pouczająca lektura! Doceniam szczegółowość i dokładność. Szkoda tylko, że niektóre fragmenty są zbyt techniczne dla laików. Mimo to, świetne źródło wiedzy!
Przeczytanie tego tekstu to niczym wirtualna wędrówka przez krainę słów, gdzie każde zdanie stanowi fascynujący pejzaż, a autor, jak doświadczony przewodnik, zapewnia nam nie tylko informacje, lecz także niezapomniane wrażenia.