Сучасне суспільство стрімко розвивається, але традиційна енергія, представлена викопною енергією (наприклад, вугіллям, нафтою тощо), стає все важче задовольнити постійно зростаючий попит на енергію через такі проблеми, як тривалі цикли регенерації та зниження запасів та якості. розробка та використання нових джерел енергії Тому це було внесено до порядку денного.
Знайдіть натхнення у фотосинтезі рослин: використовуйте сонячну енергію Виконання Електрика
Ми всі знаємо, що енергія, доступна для всього живого на Землі, в основному надходить від фотосинтезу рослин.
Малюнок 1 Принципова схема фотосинтезу
Фотосинтез рослин відноситься до біологічного процесу синтезу цукру з вуглекислого газу та води у хлоропластах рослин у світлих умовах. Оскільки цукри можуть виробляти енергію під час метаболізму, сонячна енергія зберігається таким чином.
Однак цю енергію важко використовувати безпосередньо для нас, і, як правило, її потрібно трансформувати, перш ніж вона стане електрикою, яку ми зазвичай використовуємо. Принципи фізики говорять нам, що процес перетворення енергії неминуче призведе до втрат енергії. Тому на порядок денний винесено тему прямого перетворення сонячної енергії на електричну.
Тоді, чи можна сонячну енергію безпосередньо перетворювати в електричну? Які фактори пов'язані з цим процесом трансформації? Це чудова пропозиція для вчених початку 19 століття.
На щастя, ця проблема досягла великого прориву в кінці 19 століття.
Завдяки " найпотужнішому мозку " він відкрив таємницю світла та електрики
У 1887 році відомий фізик Герц (одиниця виміру частоти названа на його ім'я) випадково виявив у дослідженні, що світло, що світить на поверхню деякої речовини, спричинить зміни в електричних властивостях речовини. Подальші дослідження показали , що це викликано генерацією потоку електронів, так що це явище називається « фотоелектричний ефект . »
Малюнок 2 Принципова діаграма фотоефекту
Ми повинні знати, що в той час принципи класичної фізики, встановлені Ньютоном, керували мисленням людей. Цей принцип вважає, що світло - це своєрідна хвиля, що передається в такому середовищі, як ефір (речовина, задумана давньогрецьким філософом Арістотелем, запозичена фізиками у XIX столітті для позначення середовища, через яке поширюється світло) (ви можна уявити собі сцену, коли камінь кидається в озеро, поверхня озера хитається з брижами, що передаються назовні з водою як середовищем), а енергія хвилі пов'язана з амплітудою (амплітуда вібрації) (амплітуда світла хвиля - це інтенсивність світла).
Малюнок 3 Камені кидають в озеро для утворення брижі
Цей інцидент, здається, цілком узгоджується зі здоровим глуздом. Можливо, що взимку сонце не є сильним, а тіло відчуває тепло під впливом сонця; влітку сонце сліпуче, і якщо ви не звертаєте уваги на захист своєї шкіри, ви можете отримати сонячні опіки. Отже, за класичної фізики, чи може виникнути фотоелектричний ефект, залежить від інтенсивності світла; проте ця теорія суперечить результатам серії експериментів того часу.
Дослідження показали, що для однієї і тієї ж речовини світло деяких кольорів не може викликати фотоелектричний ефект незалежно від інтенсивності світла, а світло деяких кольорів може генерувати електричний струм, навіть якщо інтенсивність дуже низька. Класична фізика впаде в кризу: буря охоплює всю наукову спільноту.
Буря породжує руйнування, але разом з нею приходить нове життя. А для вирішення проблеми фотоефекту те, що ми знаємо Альберт - Ейнштейн.
Ейнштейн широко відомий своїм встановленням теорії відносності, але ви можете не знати, що такий великий вчений майже ніколи не отримував Нобелівську премію, яку називають найвищою честю в науковому середовищі. Дискусії та суперечки не припиняються досі ).
Ейнштейн отримав Нобелівську премію з фізики в 1921 році завдяки своїй творчій інтерпретації фотоефекту. Він припустив , що світло складається з фотонів, і природа фотонів пакети енергії. Енергія , що міститься в кожному пакеті енергії пов'язана з його частотою (від кількості змін в одиницю часу ( 1s )), так що світло висвітлює об'єкт. Чи можуть генеруватися електрони на основі вищезазначеного, залежить повністю від енергії (частоти) енергетичного пакета (фотона) і не має нічого спільного з кількістю енергетичних пакетів (інтенсивність світла).
сонячна батарея схожа на " бутерброд "
Вище ми представили процес відкриття фотоефекту, а також знаємо, як створити фотоефект.Як тоді ми можемо використовувати генеровані електрони?
Це передбачає іншу концепцію - перехід на рівень енергії.
Малюнок 4 Принципова діаграма переходу на рівень енергії (Циндаоський інститут біоенергетики та процесів, Дослідницька група з вуглецевих матеріалів для перетворення енергії)
Атом складається з ядра та позаядерних електронів. Електрони поза ядром не розсіюються, а розташовуються шарами відповідно до принципів фізики. Електрони поблизу ядра мають низьку енергію, а електрони, розташовані далі від ядра, мають вищу Різні шари Енергії електронів різні, і ці значення енергії також називають " рівнями енергії " .
За нормальних умов позаядерні електрони завжди мають тенденцію розташовуватися у вигляді найменшої загальної енергії. Такі електрони називаються " основним станом " . Після того, як атом у основному стані отримає певну форму енергії (наприклад, фотон), він спонтанно перейде на більш високий рівень енергії. Це перехід на рівень енергії. Електрон після переходу називається " збудженим станом " .
На жаль, збуджені електрони нестійкі і мають тенденцію до переходу на більш низькі енергетичні рівні, а надлишок енергії електронів розсіюється у вигляді світлової або теплової енергії.
Ні, енергія просто розсіюється, тож ми все ще не отримуємо електрику?
Не хвилюйтесь, для того, щоб проводити струм, що генерується фотоелектричним ефектом , нам потрібно створити відповідну структуру пристрою, яку ми часто називаємо сонячною батареєю .
Структура пристрою нагадує сендвіч. Активний шар з фотоелектричним ефектом затиснутий транспортним шаром електрона і діркою (часткова електронно-дефіцитна частина, що утворилася після переходу електрона називається діркою) транспортного шару. Два кінця-це електродні матеріали , як правило, метали та оксиди. Індієве олово ( ITO ).
Після того, як атом у основному стані отримає певну форму енергії (наприклад, фотон), він спонтанно перейде на більш високий рівень енергії. Це перехід на рівень енергії. Електрон після переходу називається " збудженим станом " . Оскільки рівень енергії збудженого стану в транспортному шарі електронів дещо нижчий, ніж у активного шару, електрони у збудженому стані активного шару легко переносяться до транспортного шару електронів замість повернення до основного стану активного шару; в той час як основний стан діркового транспортного шару нижчий від основного стану активного шару Енергія електрона дещо вища, і електрон має тенденцію переходу до основного стану активного шару.
Це схоже на встановлення маленького кроку для електрона, так що електрону потрібно лише " підняти ногу ", щоб переступити, а не важкий стрибок (стрибок), тому весь процес легко досягти.
Завдяки ефективній координації транспортного шару електронів і діркового транспортного шару весь пристрій становить повну петлю, а електрони, що генеруються в активному шарі, можна експортувати та використовувати нами.
Малюнок 5 Принципова схема загальної структури пристрою сонячної батареї
Гаразд, після перетворення ми нарешті отримали електроенергію безпосередньо від сонячної енергії, і це принцип сонячної батареї . Темпи наукових розвідок ніколи не припиняються. Саме завдяки великим дослідженням і відкриттям цих великих вчених життя людей може стати кращим і кращим. Віддамо їм належне!