Historia technologii fotowoltaicznej

Współczesna presja na ekologię zaowocowała rozwojem zapomnianej nieco, choć znanej od dość dawna fotowoltaiki. Jest to nauka i technika, obejmująca przetwarzanie promieniowania słonecznego na energię elektryczną. W nowoczesnym budownictwie coraz częściej spotykamy takie rozwiązania. Przybliżmy nieco to zagadnienie.

Jak to się zaczęło?

Zjawisko fotoelektryczne odkrył w 1839 roku francuski fizyk, Antoine César Becquerel wraz ze swoim synem, Alexandrem Edmondem, który był jego asystentem. Nazwisko kojarzy nam się raczej z promieniotwórczością. I słusznie, bowiem noblista Antoine Henri Becquerel to wnuk odkrywcy fotowoltaiki, a syn jego asystenta. Wszystko zatem zostało w rodzinie… A odkrycie nastąpiło podczas eksperymentów z elektrodami metalowymi i elektrolitem; uczeni skonstatowali, że przewodnictwo zwiększa się wraz z podświetleniem, co oznaczało, że pewne materiały wytwarzają prąd elektryczny pod wpływem światła.

Niemal 40 lat później dwaj angielscy fizycy, William Grylls Adams i Richard Evans Day odkryli efekt fotowoltaiczny, podświetlając połączenie selenu i platyny. Po raz pierwszy wykazano, że prąd elektryczny może być wytwarzany bez udziału elementów ruchomych i pozyskiwany ze światła słonecznego za pomocą ogniwa stałego.

Już w XX wieku, w roku 1905, Albert Einstein opisał efekt fotowoltaiczny w artykule naukowym. Udowodnił w nim istnienie pakietów energii świetlnej, które nazwał kwantami. Odkrycie to przyniosło mu Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1921 roku i legło u podstaw rozwoju technologii laserowej.

Okres powojenny

W 1954 roku uczeni amerykańscy Gerald Pearson, Daryl Chapin i Calvin Fuller z Bell Laboratories (obecnie AT&T) stworzyli pierwsze w historii ogniwa krzemowe, które mogły generować prąd elektryczny. Wynalazek ten był głośno komentowany w ówczesnej prasie. Nadano mu szumne miano początku nowej ery, prowadzącej ostatecznie do realizacji wykorzystania niemal nieograniczonej energii słońca do zastosowań cywilizacyjnych. Było to jednak określenie mocno na wyrost, bowiem koszty tej technologii były zbyt wysokie, aby wdrożyć ją do powszechnych zastosowań. Wykorzystała ją natomiast armia amerykańska; w 1958 roku uznała krzemowe generatory za doskonałe źródło zasilania… satelitów szpiegowskich, krążących wokół Ziemi.

Początkowo jednak technologia ta została odrzucona jako niezweryfikowana. Dowództwo amerykańskiej marynarki wojennej, która otrzymała zadanie uruchomienia pierwszego satelity, zadecydowało o użyciu baterii chemicznych do zasilania satelity Vanguard. Tymczasem zmarły w 1999 roku dr Hans Ziegler, amerykański inżynier niemieckiego pochodzenia, pionier w dziedzinie satelitów komunikacyjnych, zakwestionował tę decyzję. Uzasadniał, że możliwości baterii konwencjonalnych są ograniczone i szybko się wyczerpią, a sprzęt wartości wielu milionów dolarów pozostanie bezużyteczny, natomiast baterie słoneczne umożliwią jego dłuższą eksploatację. Ostatecznie zadecydowano o wyposażeniu satelity Vanguard I obydwoma rodzajami zasilania. Opinia dr. Zieglera potwierdziła się – baterie chemiczne wyczerpały się po tygodniu, natomiast ogniwa krzemowe zasilały satelitę przez wiele lat.

W latach 60. I 70. XX wieku Stany Zjednoczone postawiły na rozwój technologii fotowoltaicznej, dzięki czemu udało się znacznie obniżyć jej koszty, ale także gabaryty, trwałość i wydajność. W rezultacie cena jednego wata energii elektrycznej, pozyskanej z ogniw krzemowych, spadła ze 100 do 20 dolarów. Dało to asumpt do wykorzystania fotowoltaiki w miejscach, gdzie nie było linii energetycznych, np. pola naftowe, platformy wiertnicze, itp. Nowy przemysł fotowoltaiczny pozyskał dzięki temu znaczne środki kapitałowe na dalszy rozwój.

Kontynuacja specjalistycznych badań sprawiła, że technologia fotowoltaiczna podczas kryzysu energetycznego w latach 70. XX wieku zaczęła być wdrażana także poza zastosowaniami kosmicznymi. Podjęto nad nią badania na całym świecie. W rezultacie koszty energii, wyprodukowanej w tej technologii, spadły na tyle, że ceny stały się konkurencyjne w stosunku do energii wytwarzanej ze źródeł konwencjonalnych.

Dziś i jutro

Obecnie panele fotowoltaiczne montowane są na wielu budynkach, a liczba instalacji z roku na rok rośnie. W roku 2017 łączna moc ze wszystkich instalacji na świecie wyniosła ponad 100 gigawatów. Wykorzystuje się dwa rodzaje systemów fotowoltaicznych:

• Autonomiczne – pracujące niezależnie od sieci energetycznej. Zasilają one urządzenia zainstalowane wewnątrz budynku
• Zintegrowane z siecią – umożliwiające przesyłanie wytworzonej energii do sieci bez konieczności magazynowania jej w akumulatorach.

Ten drugi rodzaj jest najczęściej stosowany ze względu na możliwość wykorzystania wyprodukowanej energii na własne potrzeby bądź jej sprzedaż lokalnemu dystrybutorowi.

Autor: Katarzyna Zgorzelska, w konsultacji z Teb Edukacja