Это не только про энергетику и сельское хозяйство. Это еще и про экологию. Сегодня более 80% сточных вод в мире не очищаются, и избыточный азот в них загрязняет грунтовые воды, убивает экосистемы и вызывает цветение водорослей. Новая технология решает сразу несколько проблем: чистая вода, доступные удобрения, автономная энергия.

Ученые из Стэнфорда придумали, как сделать так, чтобы даже человеческая моча приносила пользу. Они разработали систему, которая превращает ее в удобрения, а работает все это на солнечной энергии. Секрет в том, что солнечные панели здесь используются не только для генерации электричества. Они одновременно собирают отходящее тепло и направляют его на ускорение процесса. За счет этого установка работает почти на 60% эффективнее, а сами панели не перегреваются и выдают больше энергии.

Результат впечатляет: вместо того чтобы терять питательные вещества и загрязнять воду, система улавливает азот из мочи и превращает его в удобрение — прямо там, где оно нужно. И для этого не нужна электросеть или доступ к дорогим заводам.

Больше интересной информации про топливо, нефть, энергию и энергетику в телеграм-канале ЭнергетикУм

Чтобы понять стоит ли это делать, надо разбираться.
Начнем издалека.
Та энергия, благодаря которой мы существуем поступает всего от двух источников – от Солнца и внутренний нагрев Земли.
Энергия внутреннего нагрева Земли в виде тепла появляется, в основном, в результате распада долгоживущих  радиоактивных изотопов, также за счет приливных сил, когда Луна ходит вокруг Земли и заставляет недра сжиматься – разжиматься, выделяя тепло. С практическое стороны это тепло используют геотермальные электростанции, расположенные в удачных местах, где земля  особенно горячая.

Мест для установки геотермальны электростанций немного, поэтому, для большинства искателей бесплатной энергии, они недоступны.

Другое дело энергия Солнца. Тут остановимся подробно как все работает.

Энергия от Солнца до Земли переносится фотонами. Проследим путь фотона от рождения до его исчезновения на поверхности солнечной панели.

Для понимания сравните размеры Земли и Солнца.

Фотон рождается в центре Солнца в результате термоядерной реакции, когда два ядра водорода, в результате очень – очень сильного сжатия за счет гравитации, превращаются в ядро гелия. В результате такого брака рождается фотон, который сразу стремиться покинуть родителей и уносит с собой, как наследство энергию ядерного взаимодействия. Только не всем это удается.
Некоторым фотонам везет и они оказываются на поверхности Солнца через пару секунд. Но у большинства более печальная судьба – они могут добираться до поверхности десятки тысяч лет(!).
Это потому, что недра нашего светила очень сжаты и свободолюбивому фотону трудно вылететь по прямой, не зацепив какой либо из атомов вещества. Так фотон может носиться десятки тысяч лет от одного атома к другому внутри Солнца, до тех пор пока, по воле случая, не выскочит за его пределы.
А вот дальнейший путь фотона до Земли уже проходит гораздо быстрее — всего 8 с небольшим минут.

И вот он и его собратья добрались до земли. Что дальше?
А дальше у них разная судьба. Кто-то отразится и полетит дальше в космос. Кто будет поглощен атмосферой и земной поверхностью, превратившись в энергию ветра и рек.
Кого-то поглотят растения, превратив его энергию в энергию дерева, угля и нефти.
А кто-то, особенно удачливый, упадет на поверхность солнечной фотопанели, став тем самым «бесплатным» электрическим током.
Насколько бесплатным? Чтобы понять это надо понять, как работает возобновляемая (альтернативная) энергетика и из чего она состоит.
Начнем с прямого преобразования солнечного света.

Солнечные фотопанели.

Это чудо инженерной мысли называют по разному –  панели, фотопанели, фотовольтаика. А один продавец вообще по простому – пластины.

Но главное отличие, помимо мощности, из чего и как они сделаны. А сделаны они из кремния. Из песка.
Идеально завод по производству фотопанелей выглядит ка здание с двумя воротами – в одни засыпают кварцевый песок, а из других выезжает готовый продукт.
А интересно, что внутри творится?
Если по простому, то как в любом производстве, существует несколько этапов.
Первый. Собственно получение кремния.
Поскольку кремний — второй по распространенности элемент в земной коре, но  он не встречается в чистом виде в природе; скорее, он встречается в сочетании с кислородом в таких породах, как обсидиан, гранит и песчаник. Кремний можно добывать из кварцита, слюды и талька, но песок является его наиболее распространенным источником руды.
Кремний из сырья производится с помощью процесса восстановления, в котором песочек нагревается с углеродным материалом, а кислород удаляется, оставляя более чистый металлургический кремний.
Дальше начинается чистая химия для получения солнечного класса кремния, чистота которого составляет 99,999 процента.

Измываются над ним по разному -  то он должен пройти через хлористый водород при чрезвычайно высоких температурах и подвергнуться дистилляции, то разные газы пропускаются через расплавленный кремний для удаления примесей, таких как бор и фосфор. В чистом виде солнечный кремний затем превращается в цилиндры, называемые слитками.

Из слитков вырезают несколько типов пластин: монокристаллические, поликристаллические и кремниевые ленты. Они различаются по эффективности проведения солнечного света и количеству образующихся отходов.
Монокристаллические пластины тонко отрезаются от цилиндрического слитка, имеющего монокристаллическую структуру, что означает, что он состоит из чистого, однородного кристалла кремния. Алмазная пила используется для отрезания пластин от цилиндра, в результате чего получается круглая форма. Однако, поскольку круги не прилегают друг к другу плотно, круглые пластины дополнительно разрезаются на прямоугольные или шестиугольные формы, в результате чего из удаляемых частей получается отработанный кремний, который тоже идет в дело.

Поликристаллические, иногда называемые мультикристаллическими, слитки изготавливаются из многокристаллических структур. Они могут производить меньше отходов, но они не так эффективны, как монокристаллические. Слитки имеют кубическую форму, поскольку они сделаны из расплавленного кремния, залитого в формованную форму. Это означает, что пластины можно разрезать непосредственно в нужную форму, создавая меньше отходов.

Кремниевые ленты — это тонкие листы поликристаллического кремния. Они настолько тонкие, что их не нужно нарезать на пластины. Хотя тонкие листы или тонкие пленки гибкие, могут использоваться интересными способами и не так дороги в производстве, они не такие прочные, как пластины, и требуют большей поддержки, чем другие структуры солнечных панелей.

Думаете уже можно выставлять на свет и получать энергию? А вот и ошибаетесь!
Хотя кремниевые пластины на этом этапе готовы, они не будут проводить никакой энергии, пока не пройдут процесс легирования. Этот процесс включает ионизацию пластин и создание положительно-отрицательного (pn) перехода. Пластины нагреваются  при очень высокой температуре и помещаются в воду. Затем верхний слой  подвергается воздействию фосфора (отрицательная электрическая ориентация), а нижний слой подвергается воздействию бора (положительная электрическая ориентация). Положительно-отрицательный переход ячейки позволяет ей правильно функционировать в солнечной панели.

Когда-то давно, для получения фотоэлемента поступали просто. У транзистора МП37(кто помнит) отпиливали верхнюю крышку и фотоэлемент готов! Там же были уже готовые p-n переходы, свети их и получай электричество! Но только позорно мало…

После легирования, для создания функционирующей ячейки, нужно сделать еще несколько вещей. Поскольку кремний естественным образом отражает солнечный свет, существует риск потери значительной части потенциальной энергии Солнца, которую ячейки должны поглощать. Чтобы минимизировать это отражение, производители покрывают ячейки антибликовым нитридом кремния, который придает ячейкам конечный синий цвет, который мы видим в установленных панелях.

Затем производители внедряют систему сбора и распределения солнечной энергии. Это делается с помощью процесса шелкографии или трафаретной печати, в котором металлы печатаются на обеих сторонах ячейки. Эти металлы создают дорожку для получения электричества.

Наконец происходит сборка ячеек в полноценные солнечные панели. Производители используют различные процессы для производства. Но, в целом, это автоматизированный процесс, в котором работу выполняют роботы. Сначала ячейки должны быть соединены вместе, чтобы сформировать большой лист.Этот процесс включает в себя пайку  ячеек  создавая прямоугольную матрицу. Каждая  матрица ламинируется на стекло и быстро становится большей панелью. После этого панель должна быть заключена в раму, чтобы она была прочной и защищенной от любой погоды, которую она выдержит.

Напомню, что речь идет только о моно и поликристаллических панелях.
Хотя существует много материалов, обработав которые тоже можно получать электричество от света.
Например, есть такая классификация солнечных панелей:

Кремниевые. Делятся на: поликристаллический, монокристаллический и аморфный;

Панели теллурид-калиевого типа;

Панели из селена, галлия, меди и индия;

Полимерные солнечные панели;

Органические панели;

Комбинированные или многослойные солнечные панели.

Периодично появляются новости о создании очередных чудо-панелей на основе новых материалов с невероятными КПД. Как правило, все это остается на уровне лабораторного образца, которым бедные ученые тычут в нос потенциальным спонсорам и просят денег.

В следующем посте будет про практическое применение фотопанелей....