Ledgroup72.ru

Лед Групп
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Давайте разберемся: что же такое свет

Давайте разберемся: что же такое свет?

Он вокруг нас и позволяет нам видеть мир. Но спросите любого из нас, и большинство не сможет объяснить, что такое на самом деле этот свет. Свет помогает нам понимать мир, в котором мы живем. Наш язык это отражает: во тьме мы передвигаемся на ощупь, свет мы начинаем видеть вместе с наступлением зари. И все же мы далеки от полного понимания света. Если вы приблизите луч света, что в нем будет? Да, свет движется невероятно быстро, но разве его нельзя применить для путешествий? И так далее и тому подобное.

Конечно, все должно быть не так. Свет озадачивает лучшие умы на протяжении веков, но знаковые открытия, совершенные за последние 150 лет, постепенно приоткрывали завесу тайны над этой загадкой. Теперь мы более-менее понимаем, что она такое.

Физики современности не только постигают природу света, но и пытаются управлять ей с беспрецедентной точностью — и значит, свет очень скоро можно заставить работать самым удивительным способом. По этой причине Организация Объединенных Наций провозгласила 2015 году Международным годом Света.

Свет можно описать всевозможными способами. Но начать стоит с этого: свет — это форма излучения (радиации). И в этом сравнении есть смысл. Мы знаем, что избыток солнечного света может вызвать рак кожи. Мы также знаем, что радиационное облучение может вызвать риск развития некоторых форм рака; нетрудно провести параллели.

Электричество и магнетизм кажутся совершенно разными вещами. Но ученые вроде Ганса Христиана Эрстеда и Майкла Фарадея установили, что те глубоко переплетаются. Эрстед обнаружил, что электрический ток, проходящий через провод, отклоняет иглу магнитного компаса. Между тем, Фарадей обнаружил, что перемещение магнита вблизи провода может генерировать электрический ток в проводе.

Математики того дня использовали эти наблюдения для создания теории, описывающей это странное новое явление, которое они назвали «электромагнетизм». Но только Джеймс Клерк Максвелл смог описать полную картину.

Вклад Максвелла в науку сложно переоценить. Альберт Эйнштейн, который вдохновлялся Максвеллом, говорил, что тот изменил мир навсегда. Среди прочих вещей, его вычисления помогли нам понять, что такое свет.

В конце 1880-х, через несколько лет после смерти Максвелла, немецкий физик Генрих Герц первым официально продемонстрировал, что теоретическая концепция электромагнитной волны Максвелла была верной.

«Я уверен, что если бы Максвелл и Герц жили в эпоху Нобелевской премии, они бы точно одну получили», — говорит Грэм Холл из Университета Абердина в Великобритании — где работал Максвелл в конце 1850-х.

Максвелл занимает место в анналах науки о свете по другой, более практической причине. В 1861 году он обнародовал первую устойчивую цветную фотографию, полученную с использованием системы трехцветного фильтра, которая заложила основу для многих форм цветной фотографии сегодня.

Первая цветная фотография

Красный свет на одном конце радуги — это электромагнитное излучение с длиной волны от 620 до 750 нанометров; фиолетовый цвет на другом конце — излучение с длиной волны от 380 до 450 нм. Но в электромагнитном излучении есть и больше, чем видимые цвета. Свет с длиной волны длиннее красного мы называем инфракрасным. Свет с длиной волны короче фиолетового называем ультрафиолетовым. Многие животные могут видеть в ультрафиолетовом, некоторые люди тоже, говорит Элефтериос Гулильмакис из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге, Германия. В некоторых случаях люди видят даже инфракрасный. Возможно, поэтому нас не удивляет, что ультрафиолетовый и инфракрасный мы называем формами света.

Любопытно, однако, что если длины волн становятся еще короче или длиннее, мы перестаем называть их «светом». За пределами ультрафиолетового, электромагнитные волны могут быть короче 100 нм. Это царство рентгеновских и гамма-лучей. Вы когда-нибудь слышали, чтобы рентгеновские лучи называли формой света?

«Ученый не скажет «я просвечиваю объект рентгеновским светом». Он скажет «я использую рентгеновские лучи», — говорит Гулильмакис.

Между тем, за пределами инфракрасных и электромагнитных длин волны вытягиваются до 1 см и даже до тысяч километров. Такие электромагнитные волны получили названия микроволн или радиоволн. Кому-то может показаться странным воспринимать радиоволны как свет.

«Нет особой физической разницы между радиоволнами и видимым светом с точки зрения физики, — говорит Гулильмакис. — Вы будете описывать их одними и теми же уравнениями и математикой». Только наше повседневное восприятие различает их.

Таким образом, мы получаем другое определение света. Это очень узкий диапазон электромагнитного излучения, которое могут видеть наши глаза. Другими словами, свет — это субъективный ярлык, который мы используем только вследствие ограниченности наших органов чувств.

Если вам нужны более подробные доказательства того, насколько субъективно наше восприятие цвета, вспомните радугу. Большинство людей знают, что спектр света содержит семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. У нас даже есть удобные пословицы и поговорки про охотников, которые желают знать место нахождения фазана. Посмотрите на хорошую радугу и попробуйте разглядеть все семь. Это не удалось даже Ньютону. Ученые подозревают, что ученый разделил радугу на семь цветов, поскольку число «семь» было очень важным для древнего мира: семь нот, семь дней недели и т. п.

Читайте так же:
Как пользоваться розеткой для сетевого кабеля

Видимый свет

Некоторые считали, что свет движется в форме волн или ряби, через воздух или загадочный «эфир». Другие думали, что эта волновая модель ошибочна, и считали свет потоком крошечных частиц. Ньютон склонялся ко второму мнению, особенно после серии экспериментов, которые он провел со светом и зеркалами.

Проблема в том, что были в равной степени убедительные доказательства того, что свет представляет собой волну. Одна из самых наглядных демонстраций этого была проведено в 1801 году. Эксперимент с двойной щелью Томаса Юнга, в принципе, можно провести самостоятельно дома.

Возьмите лист толстого картона и аккуратно проделайте в нем два тонких вертикальных разреза. Затем возьмите источник «когерентного» света, который будет излучать свет только определенной длины волны: лазер отлично подойдет. Затем направьте свет на две щели, чтобы проходя их он падал на другую поверхность.

Вы ожидаете увидеть на второй поверхности две ярких вертикальных линии на тех местах, где свет прошел через щели. Но когда Юнг провел эксперимент, он увидел последовательность светлых и темных линий, как на штрих-коде.

Когда этот свет проходит через две щели, каждая волна гасит другую, образуя темные участки. Когда же рябь сходится, она дополняется, образуя яркие вертикальные линии. Эксперимент Юнга буквально подтвердил волновую модель, поэтому Максвелл облек эту идею в твердую математическую форму. Свет — это волна.

Во второй половине девятнадцатого века, физики пытались выяснить, как и почему некоторые материалы абсорбируют и излучают электромагнитное излучение лучше других. Стоит отметит, что тогда электросветовая промышленность только развивалась, поэтому материалы, которые могут излучать свет, были серьезной штукой.

К концу девятнадцатого века ученые обнаружили, что количество электромагнитного излучения, испускаемого объектом, меняется в зависимости от его температуры, и измерили эти изменения. Но никто не знал, почему так происходит. В 1900 году Макс Планк решил эту проблему. Он выяснил, что расчеты могут объяснить эти изменения, но только если допустить, что электромагнитное излучение передается крошечными дискретными порциями. Планк называл их «кванта», множественное число латинского «квантум». Спустя несколько лет Эйнштейн взял его идеи за основу и объяснил другой удивительный эксперимент.

Физики обнаружили, что кусок металла становится положительно заряженным, когда облучается видимым или ультрафиолетовым светом. Этот эффект был назван фотоэлектрическим.

Атомы в металле теряли отрицательно заряженные электроны. Судя по всему, свет доставлял достаточно энергии металлу, чтобы тот выпустил часть электронов. Но почему электроны так делали, было непонятно. Они могли переносить больше энергии, просто изменив цвет света. В частности, электроны, выпущенные металлом, облученным фиолетовым светом, переносили больше энергии, чем электроны, выпущенные металлом, облученным красным светом.

Если бы свет был просто волной, это было бы нелепо.

Эйнштейн понял, что фотоэлектрический эффект проще понять, если представить свет в терминологии планковских квантов.

Он предположил, что свет переносится крошечными квантовыми порциями. Каждый квант переносит порцию дискретной энергии, связанной с длиной волны: чем короче длина волны, тем плотнее энергия. Это могло бы объяснить, почему порции фиолетового света с относительно короткой длиной волны переносят больше энергии, чем порции красного света, с относительно большой длиной.

Также это объяснило бы, почему простое увеличение яркости света не особо влияет на результат.

Свет поярче доставляет больше порций света к металлу, но это не изменяет количество энергии, переносимой каждой порцией. Грубо говоря, одна порция фиолетового света может передать больше энергии одному электрону, чем много порций красного света.

Эйнштейн назвал эти порции энергии фотонами и в настоящее время их признали фундаментальными частицами. Видимый свет переносится фотонами, другие виды электромагнитного излучения вроде рентгеновского, микроволнового и радиоволнового — тоже. Другими словами, свет — это частица.

При этом у физиков не возникло проблем с раздвоением личности света. Это в какой-то мере сделало свет полезным вдвойне. Сегодня, опираясь на работы светил в прямом смысле слова — Максвелла и Эйнштейна, — мы выжимаем из света все.

Оказывается, что уравнения, используемые для описания света-волны и света-частицы, работают одинаково хорошо, но в некоторых случаях одно проще использовать, чем другое. Поэтому физики переключаются между ними, примерно как мы используем метры, описывая собственный рост, и переходим на километры, описывая поездку на велосипеде.

Некоторые физики пытаются использовать свет для создания шифрованных каналов связи, для денежных переводов, к примеру. Для них имеет смысл думать о свете как о частицах. Виной всему странная природа квантовой физики. Две фундаментальные частицы, как пара фотонов, могут быть «запутаны». Это значит, что они будут иметь общие свойства вне зависимости от того, как далеки будут друг от друга, поэтому их можно использовать для передачи информации между двумя точками на Земле.

Еще одна особенность этой запутанности в том, что квантовое состояние фотонов изменяется, когда их считывают. Это значит, что если кто-то попытается подслушать зашифрованный канал, в теории, он сразу выдаст свое присутствие.

Другие, как Гулильмакис, используют свет в электронике. Им полезней представлять свет в виде серии волн, которые можно приручить и контролировать. Современные устройства под названием «синтесайзеры светового поля» могут сводить световые волны в идеальной синхронности друг с дружкой. В результате они создают световые импульсы, которые более интенсивные, кратковременные и направленные, чем свет обычной лампы.

Читайте так же:
Выключатель света зеленая подсветка

За последние 15 лет эти устройства научились использовать для приручения света с чрезвычайной степенью. В 2004 году Гулильмакис и его коллеги научились производить невероятно короткие импульсы рентгеновского излучения. Каждый импульс длился всего 250 аттосекунд, или 250 квинтиллионных секунды.

Используя эти крошечные импульсы как вспышку фотоаппарата, они смогли сделать снимки отдельных волн видимого света, которые колеблются намного медленнее. Они буквально сделали снимки движущегося света.

«Еще со времен Максвелла мы знали, что свет — это осциллирующее электромагнитное поле, но никто даже и подумать не мог, что мы можем сделать снимки осциллирующего света», — говорит Гулильмакис.

Сто лет назад фотоэлектрический эффект показал, что видимый свет влияет на электроны в металле. Гулильмакис говорит, что должна быть возможность точно контролировать эти электроны, используя волны видимого света, измененные таким образом, чтобы взаимодействовать с металлом четко определенным образом. «Мы можем управлять светом и с его помощью управлять материей», — говорит он.

Это может произвести революцию в электронике, привести к новому поколению оптических компьютеров, которые будут меньше и быстрее наших. «Мы сможем двигать электронами как заблагорассудится, создавая электрические токи внутри твердых веществ с помощью света, а не как в обычной электронике».

Вот еще один способ описать свет: это инструмент.

Впрочем, ничего нового. Жизнь использовала свет еще с тех пор, когда первые примитивные организмы развили светочувствительные ткани. Глаза людей улавливают фотоны видимого света, мы используем их для изучения мира вокруг. Современные технологии еще дальше уводят эту идею. В 2014 году Нобелевская премия по химии была присуждена исследователям, которые построили настолько мощный световой микроскоп, что он считался физически невозможным. Оказалось, что если постараться, свет может показать нам вещи, которые мы думали никогда не увидим.

Как получить электричество из воздуха

Как получить электричество из воздуха

Ну не совсем из воздуха, а из той энергии, которой пронизан современный мир.
В этой статье представлены две работы авторов harshithar76 и vidyashree.2105. В этих работах авторы расскажут о своих работах по «сбору» радиочастотного излучения и преобразованию его в электричество для практических целей. Работы объединены в одну статью, потому что авторы работали в рамках одного проекта.

Итак, начнем с первой схемы автора harshithar76.
Статья мастера демонстрирует прототип, который собирает энергию из окружающей среды через антенну. Схема работает, когда она находится рядом с источниками радиочастотного излучения, такими как Wi-Fi, сотовый телефон и т. д., Устройство собирает радиочастотную энергию из своего окружения, преобразует ее в постоянный ток и заряжает им суперконденсатор.

Шаг второй: проектирование патч-антенны с использованием программного обеспечения HFSS

С использованием программного обеспечения HFSS (High Frequency Structure Simulator), была разработана антенна со встроенным питанием, работающую на частоте 2,4 ГГц.

Чтобы спроектировать антенну в симуляторе, очень важно знать ее характеристики в соответствии с требованиями. При проектировании и изготовлении антенны необходимо учитывать несколько параметров.

Характеристики антенны:
Подложка : эпоксидная смола FR4 с относительной диэлектрической проницаемостью 4,4, тангенс угла потерь 0,009 и толщиной 1,6 мм.
Импеданс : 50 Ом
Размеры: Lg = 38.52 мм, Wg = 47.01 , Lp = 28.92 , Lg = 37.41 , a = 3 мм, b = 19 мм.
Для большего понимания можно посмотреть видео о разработке патч-антенны, ниже.




Шаг третий: моделирование схемы согласования импеданса с помощью программного обеспечения Multisim
Следующим шагом является моделирование схемы согласования импеданса.

Согласование импеданса необходимо для передачи максимальной мощности между антенной и преобразователем RF-DC. Эта схема используется в этом проекте, чтобы иметь минимальные возвратные потери и улучшить производительность системы.
Мастер выбрал схему T-match из-за ее высокой добротности и низкого коэффициента пульсации.

Схема согласования T спроектирована и смоделирована с использованием программного обеспечения Multisim.
Выходной сигнал этой схемы отмечается и сравнивается с практическим выходом.

Шаг пятый: изготовление антенны
Дальше мастер переходит к изготовлению антенны в соответствии с проектом.
Во-первых, нужно подготовить пластину с использованием процесса химического травления.
Затем правильно установить и припаять разъем SMA.

И наконец, подключить коаксиальный кабель с сопротивлением 50 Ом к антенне, как показано на рисунке ниже.



Шаг седьмой: тестирование
Теперь можно проверить схему.
Как видно на осциллографе, конечный результат, т.е. полученное среднеквадратичное значение, выражается в милливольтах, что приблизительно равно значениям, полученным при моделировании.

Этот показатель не является постоянным, поскольку он полностью зависит от энергии RF. Результат может быть в милливольтах, а иногда и в вольтах, в зависимости от интенсивности радиочастотных энергетических волн.

Выходное напряжение постоянного тока может быть усилено путем добавления большего количества каскадов цепи удвоителя напряжения к преобразователю ВЧ-постоянный ток.

Этот результат был получен, когда цепь была размещена рядом с парой сотовых телефонов.

Шаг восьмой: вторая схема
Теперь переходим к другой работе, автора vidyashree.2105. Работа небольшая, поэтому уместим ее в один шаг.
Эта схема предназначена для сбора свободной энергии, т.е. радиочастотной энергии, поступающей от маршрутизаторов Wi-Fi, Bluetooth и т. д.
Радиочастотный сигнал сам по себе является сигналом с низкой энергией, поэтому захваченный выходной сигнал будет низким и будет изменяться в зависимости от окружающей среды.

Читайте так же:
Комплект для выключателя с подсветкой

Для схемы мастер использует следующие материалы:
Конденсаторы: 470 мкФ, 25В1 мкФ, 50 В
Стабилитрон: 1N4148
Перемычка- FM (для антенны)
Медный провод (SWG26)

Бурыкин Валерий

Генератор тока (источник тока). Различия и сходства стабилизаторов тока и напряжения.

Стабилизатор напряжения.


Рис. 1 Схема идеального источника напряжения.


Рис. 2 Функциональная схема реального источника напряжения.

Генератор тока.


Рис. 3 Функциональная схема идеального источника тока.


Рис. 4 Практические схемы простых генераторов тока на биполярных транзисторах.

Что нужно для расчёта источника тока.

Пример расчета простого генератора тока на биполярном транзисторе


Рис. 5

Пример расчета:


Рис. 6 Результат расчёта.


Рис. 7 Генератор тока с внутренним источником напряжения.


Рис. 8 Генератор тока с дифференциальным усилителем.


Рис. 9 Регулируемый генератор тока.


Рис. 10 Функциональная схема стабилизатора напряжения.


Рис. 11 Простой источник опорного напряжения.


Рис. 12 Схема ИОН с повышенной стабильностью Uоп.


Рис. 13 Один из вариантов подключения датчиков к генератору тока.

10 response to «Генератор тока (источник тока). Различия и сходства стабилизаторов тока и напряжения.»

By: Александр Posted: 03.05.2020

Здравствуйте. Скажите,как посчитали: При Rбал. = 2 кОм и дельта Uпит. = 18 В, дельта Uоп. составит 0,53 В.

Динамическое сопротивление стабилитрона:
rст = 60 Ом (См. таблицу выше)

dI = dU/2кОм = 9мА
dUоп. = dI * rст. = 0.009 * 60 = 0.54 В
Простите на 0,01V ошибся. Но я считал навскидку.

By: АЛЕКС Posted: 16.01.2020

А во! — Вразумте дядько разницу между генератором тока и напряжения или как там ЭДС, а также, что подразумить глядя на батарейку — это источник тока и источник ЭДС, а где там вооще то есть напряжение и что мы в первую очередь можем определить и измерить.
Может это курица и яйцо ;))

То есть дядько Вам сейчас в своём ответе должен пересказать всю статью?
Там есть объяснение в чём разница.
А к чему Вы приплели здесь ЭДС. Это вообще овощ с другого огорода и к созданию электронных схем никакого отношения не имеет.
Если Вам это точно интересно то вот Вам ссылка: https://samelectrik.ru/chto-takoe-eds-obyasnenie-prostymi-slovami.html

By: triak Posted: 01.08.2020

нас в институте учили так — если внутреннее сопротивление источника близко к нулю, — это источник напряжения.
Если внутреннее сопротивление источника близко к бесконечности, — это источник тока.
Любая реальная батарейка, аккум или выход выпрямителя — где-то между.
Пока при снижении сопротивления нагрузки (т.е. увеличении нагрузки) напряжение на ней не падает (а только растёт ток через неё) — это она питается от хорошего источника напряжения.
Если при изменении величины нагрузки остаётся стабильным ток через неё (по при этом меняется напряжение, и ИСТОЧНИК НЕ ПЕРЕГРЕВАЕТСЯ и не сгорает) — она питается от хорошего источника тока

Ну так в статье как раз об этом и рассказано. Только вот в статье дано математическое обоснование всему этому и примеры расчетов.
Что касается батарейки, аккумуляторов, солнечных элементов, различных электрогенераторов без схем управления и т.д. и т.п., то они действительно находятся между генератором напряжения и генератором тока. Называются такие источники источниками ЭДС.

By: Алекс Posted: 15.01.2020

Упс:)
<>
— Из тогот, что Uстаб=Uбэ+Uэ и постоянном напряжением Uiсточ. МОЖНО сделать вывод:, — что повышая Rнагр ток проходящий через Rэ будет падать и ни о какой стабилизации тока нет и речи касательно самых первых примитивных схем. Источнику негде взять повышение напряжения соразмерно повышения Rнагр.

By: Юрий Posted: 28.04.2019

Идеального генератор тока и напряжения в природе не существует.Все зависит он нагрузки, когда мы можем говорить об одном или о другом.Точнее об соотношении нагрузки и внутреннего сопротивления источника.То,что вы приводите в конце статьи- это перевод .Возможно даже машинный.Что же к этому придираться?

Я придираюсь к тем кто публикует такие переводы.
Или их также публикуют машины?

Но на самом деле если Вы наберёте в поиске запрос «генератор тока»
То таких, как Вы говорите «переводов» найдёте море, да практически
все результаты поиска будут из них состоять.

О преобразовании света в электричество, солнечном топливе и КПД аккумуляторов

Какие существуют способы преобразования света в электричество? Как повысить КПД солнечных элементов? Каковы основные перспективы развития солнечной энергетики? Об этом рассказывает профессор Университета имени Бен-Гуриона Евгений Кац.

Под солнечной энергетикой понимается процесс преобразования солнечного света в электричество. Есть два способа преобразовать свет в электричество. Первый способ — это сконцентрировать свет высокой концентрации, например, на воде или на какой-то другой жидкости, перевести это в пар, и дальше пар вращает генератор, обычную турбину (похожий процесс в обычной электростанции).

Второй способ — это прямое преобразование света в электричество, где ничего не греется, ничего не крутится, нет никаких механических генераторов, а есть полупроводниковый преобразователь, который поглощает фотоны, при поглощении фотонов рождаются электронно-дырочные пары — электроны и дырки, носители зарядов, которые разделяются, таким образом генерируется ток, напряжение, генерируется электрическая мощность, производство которой является задачей солнечной энергетики.

Этим направлением я и занимаюсь — прямым преобразованием света в электричество. Это побеждающее направление, из-за того что эффективность таких элементов достаточно высокая. И она может быть все больше и больше. Сегодня мировой рекорд эффективности, КПД, порядка 45%. Это очень высокая цифра. О такой цифре 20 лет назад и мечтать не могли

Читайте так же:
Кривая тока для освещения

Общее рождение этого направления — вторая половина 1950-х годов. Первый солнечный элемент был изобретен и сделан в американской лаборатории Bell Labs. Где его применить, тогда не очень понимали. Но в 1957 году полетел первый советский спутник, а в 1959 году уже и американский, и советский спутники летали с солнечными батареями. Таким образом родилось это направление использования прямых преобразователей, солнечных элементов, солнечных батарей для космоса. Конечно, всегда была мечта использовать это открытие для наземной энергетики в масштабных количествах. Для этого цена ватта электричества, произведенного с помощью преобразования солнечного света, должна быть сравнима с ценой обычного электричества, которое мы получаем, сжигая полезные ископаемые. Такая ситуация (по-английски она называется grid parity) сегодня практически достигнута. Что это значит? Что в разных точках Земли разное количество солнечного света, разная цена электричества, но в принципе большое количество мест и стран, которые либо очень близки к достижению этой цели, либо уже достигли ее.

Это говорит о том, что в ближайшее время внедрение солнечной энергетики в реальную жизнь будет очень быстрым и наступательным.

Что для этого делалось? В течение всех этих лет шли работы в двух направлениях. Для того чтобы понизить цену, надо либо увеличить эффективность преобразования, то есть производить за те же деньги больше электричества, либо уменьшить стоимость: то же электричество, та же эффективность, но меньшая стоимость. То есть первые солнечные элементы были из дорогостоящих кристаллических полупроводников: кремния, арсенид галлия и так далее. Масса работ велись в направлении применения тонких пленок, органических солнечных элементов, солнечных элементов на основе разных видов углерода (чем я занимаюсь).

Что сегодня ограничивает тот оптимизм, о котором я говорю? Ограничивает не преобразование света в электричество, не генерация электроэнергии, а ее хранение. На сегодняшний день не существует хороших, стабильных и дешевых аккумуляторов, таких дешевых, чтобы они удовлетворяли принципу grid parity. А это очень важно. То есть сегодня применение солнечной энергии ограниченно. В большинстве промышленных стран пик потребления днем, когда работают заводы, когда работает промышленность. Если солнца много, можно срезать этот пик. Но как только вы применяете больше солнечного электричества, получается, что у вас уже нет выгоды. Вы должны уметь запасать электричество: оно нужно ночью, нужно в дни, когда нет электричества. Это техническая проблема, которая наc сегодня сдерживает..

Общепринятая мысль: если вы хотите изменить мир, если вы ученый, который действительно хочет сделать революцию, заниматься надо попытками разработки новых методов запаса электричества. Это не то, чем занимаюсь я — я занимаюсь полупроводниковым преобразованием света в электричество. Кроме обычных батарей, конечно, идеальным способом была бы комнатная высокотемпературная сверхпроводимость. Это был бы мощнейший прорыв, но пока он не произошел.

Все то, о чем я говорю, — это о производстве электричества. Есть второе направление работы, где наука должна сделать прорыв, — это производство топлива. Чтобы машины ездили не на бензине и не на газе, а на чем-то другом. То есть на газе, например, на водороде. То, что называется solar fuel — солнечное топливо. Настоящие большие самолеты и машины не будут летать и ездить на солнечных элементах просто из-за того, что надо с собой возить гигантскую площадь. Но можно разлагать, например, воду на водород и кислород в одном приборе. Это можно сделать в двух разных приборах: поставить обычную солнечную батарею, генерировать электричество, это напряжение прикладывать к электролизеру и получать водород и кислород. Но огромное количество лабораторий работает над тем, чтоб делать это в одном приборе.

Фактически это artificial photosynthesis, то есть это попытка повторить то, что делает природа.

Природа делает это с изумительной элегантностью. Хотя общий КПД фотосинтеза не такой высокий. Но КПД первого этапа, разделение заряда, natural photosynthesis, практически стопроцентный. То есть попытки сделать solar fuel и попытаться как-то научиться у природы — это тоже очень интересное направление.

Поскольку я все-таки академический исследователь, я мало думаю о каких-то мощнейших применениях и так далее. В основном я занимаюсь тем, что сегодня интересно и где можно применить опыт и знания. Я работаю в лаборатории, где мы много занимаемся концентрированием солнечного света. Речь идет о том, что вы можете прямое преобразование с помощью солнечных батарей делать двумя разными способами. Один способ — положить плоские солнечные батареи на крышу. И тогда вы должны производить большую площадь. Собственно, у солнечного света есть, грубо говоря, три недостатка. Первый недостаток — это то, что это белый свет, смесь разных длин волн. Если бы он был как лазер, если бы это была одна длина волны, то и КПД можно было бы сделать гораздо больше. Второй недостаток, почему мы и создаем концентрированное излучение, — это то, что свет очень разбавленный. На квадратный метр падает всего тысяча ватт солнца. Грубо говоря, если ваш КПД 10%, вы с квадратного метра производите всего 100 ватт. Это очень мало. Поэтому вы должны заложить большие площади.

Читайте так же:
Выключатель с подсветкой 110

Концентрирование солнечного света связано с тем, что вам не надо закладывать большие площади. Вы с больших площадей собираете свет, например, зеркалами или линзами, и при этом на солнечный элемент у вас падает 100 солнц, 500 солнц, 1000 солнц. Это значит, что даже если бы эффективность была одна и та же, вам надо как минимум в 100, 500 и 1000 раз меньше площади дорогостоящего полупроводникового материала.

Но эффективность может быть больше. За счет того, что в этой системе сам полупроводниковый элемент не является определяющим. Основная цена — это цена линз, зеркал, систем слежения за Солнцем, чтобы сфокусировать. В принципе, этот опыт каждый ребенок делал с лупой, поджигал дерево. Это концентрирование солнечного света. Я не оптик, у меня есть коллеги, с которыми я интенсивно работаю, которые занимаются именно оптической частью, разработкой концентраторов. А меня интересует, как именно солнечный элемент работает, в чем отличие фотопреобразования при одном солнце от его работы на тысячу солнц. С точки зрения академической и прикладной науки это очень интересная работа и очень интересное направление, потому что речь идет о сверхвысокоэффективных солнечных элементах. КПД больше 40% — это многопереходные солнечные элементы, работающие на очень большой концентрации солнечного света

Я сказал о двух недостатках солнечного света. Есть еще один недостаток солнечного света. У нас есть два вида солнечного излучения: например, на нас прямой солнечный свет не падает, на улице облака, но при этом мы с вами видим друг друга. Это так называемое диффузное излучение — излучение, которое идет от атмосферы. Это излучение нельзя сконцентрировать. Основное излучение — это так называемое прямое излучение. Оно приходит под очень узким углом. А излучает элемент во все стороны. Эта термодинамическая проблема связана с тем, что при этом преобразовании происходит увеличение энтропии за счет того, что есть отношение между углом падения света и углом излучения полупроводника, солнечного элемента. Концентрирование света — это попытка увеличить вот этот угол падения: чем больше у вас концентратор, тем под большим углом он падает, он приходит не от Солнца, а под большим углом. Второе направление, по которому опубликовано несколько очень интересных работ, связано с возможностью ограничить угол фотолюминесценции от элемента, угол излучения, с той же самой целью.

Наконец, третье направление — это исследования солнечных элементов: и фотоэлектрических материалов, и фотоэлектрических приборов в солнечных элементах, изготовленных из нетрадиционных полупроводников. Это фуллерены, углеродные нанотрубки, проводящие полимеры. Сейчас произошла революция во всей этой науке. Появился новый материал — перовскит. Это даже не материал, это структура, термин относится к кристаллической структуре. Это солнечные элементы, смесь органических и неорганических. Их КПД сегодня уже достигло 20%. Для сравнения: рекордный КПД органических солнечных элементов находится на планке 10%.

Основной мой интерес связан даже не с увеличением КПД, а с попыткой увеличения их стабильности. Срок службы неорганических солнечных элементов на основе кремния, арсенида галлия — 25 лет. То есть практически «всегда». А срок службы органических солнечных элементов или на основе перовскита, когда мы начинали этим заниматься, был практически ноль, то есть на несколько секунд. Даже в темноте падал КПД. Задача — увеличить его до двух, пяти, а в идеале, конечно, хотя бы до десяти лет. Тогда эти солнечные элементы, если у них будет высокая эффективность, достаточно долгий срок службы, безусловно, будут дешевыми, потому что они делаются из растворов. Это элементы, которые уже сегодня печатаются на принтере. Это солнечные батареи, которые целиком печатаются на принтере. Не нужны никакие вакуумные технологии: стоит много разных принтеров, то, что называется row to row, которые печатают разные слои этого многослойного солнечного элемента.

Развитие солнечной энергетики, масштабное применение солнечной энергии для преобразования электричества, безусловно, должно привести к мощным изменениям социального, политического характера в жизни на нашей планете. Потому что солнечная энергия распределена достаточно равномерно по планете и подразумевает развитие технологий даже таких стран, как, например, ОАЭ, Саудовская Аравия, которые имеют гигантские деньги с нефти и вкладываются в развитие технологий. Развитие технологий — это мощнейший социальный импульс для развития общества. И, безусловно, это произойдет в какой-то момент. Сегодня мы стоим на пороге мощного применения в различных странах солнечной энергии. Конечно, в случае если будет найден способ запаса электроэнергии.

Хотя есть масса технологий, где запас не нужен. Я приведу один пример. Например, опреснение морской воды. Гигантская проблема на планете — отсутствие пресной воды. Основная стоимость опреснения сегодня — это стоимость электроэнергии. И здесь не нужны запасы. У вас есть солнце — вы делаете опреснение. Это не системы, которые должны работать 24 часа в сутки. Уже сегодня, в общем-то, солнечная энергетика, преобразование света в электричество, безусловно, стоит на пороге новой индустриальной революции.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector