Ursprünge von Sonnenkollektoren / Sudo Null IT News

Sonnenkollektoren sind eine alternative Stromquelle, die von Jahr zu Jahr immer beliebter wird. Für die meisten normalen Verbraucher scheinen sie etwas Innovatives zu sein. Doch die Technik selbst ist alt: Die erste Solarbatterie, die Strom lieferte, wurde bereits 1883 (!) von dem amerikanischen Erfinder Charles Fritts entwickelt. Also vor anderthalb Jahrhunderten.

Wie alles begann

Oben ist ein Foto einer Solaranlage von Charles Fritts aus dem Jahr 1884. Anscheinend befindet sich auf dem Dach äußerlich eine recht moderne Solarbatterie mit einer Größe von etwa 10 Quadratmetern. m, es besteht aus vier identischen Blöcken, von denen jeder sieben Sonnenkollektoren hatte.

Über das Schicksal des Erfinders Charles Fritts selbst und seiner Solarbatterie ist leider wenig bekannt. Obwohl viele New Yorker Lokalzeitungen über seinen Stromgenerator aus Sonnenlicht schrieben. In ihren Veröffentlichungen erklärten Journalisten der Öffentlichkeit das Prinzip ihrer Arbeit richtig und verständlich mit dem Satz: „Haben Sie Edisons Glühbirne gesehen? Sie isst Strom. Aber hier ist es umgekehrt!”

Es ist erwähnenswert, dass die Fähigkeit, Elektrizität aus Licht zu gewinnen (Photovoltaikeffekt), bereits 1839 von Alexander Becquerel demonstriert wurde, der erst 18 Jahre alt war. Im Labor seines Vaters entdeckte ein Vertreter der Familie berühmter Physiker, der Becquerels, dass unter der Einwirkung von hellem Licht in einem Kreislauf, bestehend aus Metall (Gold, Platin, Kupfer in verschiedenen Versionen des Experiments) Platten im Elektrolyten untergingen Unter dem Einfluss von direktem Sonnenlicht zeichnete die Galvanometernadel das Auftreten von EMF auf. Alexanders Vater berichtete auf einem Treffen der Pariser Akademie der Wissenschaften über die Ergebnisse der Experimente seines Sohnes, später wurden sie in den Proceedings of the Academy veröffentlicht. Seitdem haben Wissenschaftler keinen Zweifel daran, dass Sonnenlicht Strom erzeugen kann.

Gleichzeitig hatten Wissenschaftler lange Zeit keine Erklärung für den sogenannten „Becquerel-Effekt“. Auch nachdem Wissenschaftler die elektrischen Eigenschaften der chemischen Elemente von Halbleitern untersucht haben, hat sich die Situation nicht geändert. Aber es wurde in der praktischen Elektrophysik radikal umgewandelt. Diese Elemente wurden eigentlich nur Halbleiter genannt, weil sie sich in einem Stromkreis nicht wie metallische Leiter und nicht wie Dielektrika verhalten.

Erstens leiteten sie unter bestimmten Umständen und in begrenzten Mengen Strom, und der Widerstand in ihnen stieg nicht mit der Temperatur an, sondern fiel, aber was wichtig ist, sie zeigten einen photovoltaischen Effekt und waren nicht so träge wie die leitenden Metalle in Elektrolytgefäß von Becquerel. Dafür brauchten sie überhaupt kein flüssiges Elektrolytmedium, sie zeigten selbst das Auftreten einer EMF in der Sonne. Besonders deutlich zeigte sich dies bei Selen, und gepaart mit einem Metallleiter war der photovoltaische Effekt stärker ausgeprägt.

Warum das so ist, konnten sie erst ein halbes Jahrhundert nach den Experimenten des jungen Becquerel erklären. Charles Fritts erkannte, dass es notwendig war, Selen dünner zu rollen, es mit einem Film aus einem Metallleiter zu bedecken, der vorzugsweise nicht an der frischen Luft oxidiert wurde, es der Sonne auszusetzen und dann würden wir Energie gewinnen.Der Erfinder selbst behauptete, dass seine Selen-Solarmodule eignen sich gut zur Stromerzeugung nicht nur für den Haushalt, sondern auch für den industriellen Bedarf.

Basierend auf modernen Schätzungen lag der Wirkungsgrad seiner Solarmodule bei 1-2 % (moderne massenproduzierte Module haben einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 13 %). Der große Nachteil war jedoch, dass die Platten des Erfinders sehr teuer in der Herstellung waren. Aber nicht nur die hohen Kosten verursachten die mangelnde Nachfrage nach dieser alternativen Energiequelle, sondern im Allgemeinen gab es keine solche Nachfrage, und man kann sagen, dass Fritts mit seinen Solarmodulen zur falschen Zeit am falschen Ort war.

Hat Fritts versucht, seine Erfindung zu patentieren? Auf diese Frage gibt es keine Antwort, aber es ist sicher bekannt, dass er Proben seiner Solarpanels an den „Europäischen Edison“ Werner von Siemens schickte und bat, sie der Preußischen Akademie der Wissenschaften in Berlin zur Prüfung vorzulegen. Es sei darauf hingewiesen, dass Fritts immer noch Patente für verschiedene Verbesserungen im Bereich der Stromübertragung hat (z. B. US-Patent Nr.383.520).

Werner von Siemens erklärte öffentlich, die Erfindung von Fritts sei “wissenschaftlich weitreichend” und forderte “sorgfältige Untersuchungen, um festzustellen, wovon die elektromotorische Leuchtwirkung von Selenplatten abhängt”. Aber damals richtete sich die ganze Aufmerksamkeit der Wissenschaftler und der Öffentlichkeit auf das erste Dampfkraftwerk, das Edison 1882 im selben New York baute. Daher ist es nicht verwunderlich, dass niemand Fritts Worte ernst nahm, dass seine Solarpanels bald Edisons elektrischen Generatoren Konkurrenz machen würden.

Und der technische Gedanke in Bezug auf Solarbatterien machte einen Zickzack, indem ein photothermisches Element in das Design der Solarbatterie aufgenommen wurde, das nach dem Seeerbeck-Prinzip funktioniert, dh der Strom darin tritt auf, wenn die Temperatur steigt. In Anlehnung an Archimedes, der der Legende nach vor zweitausend Jahren die römische Flotte mit Hilfe von Parabolspiegeln mit Sonnenlicht verbrannte, wurde das Licht mit Hilfe von Linsen auf ein Thermoelement aus Metallen konzentriert, das einen Strom erzeugte. Warum die Designer den direkten Weg aufgegeben haben, Strom direkt aus Sonnenlicht zu gewinnen, und den Weg mit einem Zwischenhändler gewählt haben, der beim Erhitzen Strom erzeugt – hier ist es schwierig, der Logik des Erfinders zu folgen, niemand beschreibt ihre logischen Schlussfolgerungen in einer Patentanmeldung. Aber vielleicht hegten Ingenieure in jenen Jahren, als der physikalische Mechanismus des photovoltaischen Effekts nach wie vor eine Sache für sich war, die Hoffnung, den Wirkungsgrad der Fritts-Solarbatterie zu steigern.

Erste Patentanmeldungen

In den ersten beiden Patentanmeldungen im Jahr 1888 für eine solche Solarbatterie, Edward Weston (US-Patent 389.124 und US-Patent 389.425) ist markiert: „Ein thermoelektrisches Element aus unterschiedlichen Metallen, nebeneinander angeordnet, überall voneinander isoliert und an einem Ende verbunden, und ist eine elektrische Erzeugungsvorrichtung … Die elektromotorische Kraft ist die Summe der elektromotorischen Kräfte der Ströme, die von mehreren erzeugt werden Elemente, und wird proportional zur Temperaturerhöhung auf ein Maximum ansteigen … Da es aber aus praktischen Gründen unpraktisch ist, eine sehr große Fläche der Thermoelementoberfläche zu erzeugen, konzentriere ich den Sonnenstrahl auf die Oberfläche des Thermoelements mit jede bekannte Vorrichtung für diesen Zweck, wie zum Beispiel Spiegel oder Linsen, so dass eine relativ höhere Temperatur und damit mehr Energie pro Flächeneinheit erreicht werden kann.“

Patent Nr. 389,124Patent Nr. 389,124Patent Nr. 389,125Patent Nr. 389,125

Ihr Erfinder, Edward Weston, war einer der größten Spezialisten für elektrische Legierungen seiner Zeit, er war zu dieser Zeit auch CEO von Edison-Swan United Electric Lighting Co und wurde dann Präsident des American Institute of Electrical Engineers (heute bekannt als IEEE). Weston hat in seinem Leben 334 Erfindungen patentieren lassen. Vor dem Ersten Weltkrieg erhielten mindestens ein Dutzend weitere Erfinder ähnliche Patente wie Weston für Solarbatterien mit Thermoelementen, und danach gab es eine Flaute, für Solarbatterien war keine Zeit mehr. Aber auch patentierte Modelle blieben größtenteils in Form von Zeichnungen und Beschreibungen erhalten.

Zur Solarbatterie im eigentlichen Sinne, also ähnlich wie Gründer Fritts, kamen die Wissenschaftler erst Ende der 1930er Jahre zurück, aber es ging nicht mehr um Selen, sondern um Silizium. Russell Ohl, der in der Halbleiterabteilung von Bell Labs arbeitete, entdeckte 1939 den pn-Übergang, und diese Entdeckung gab ein vollständiges Verständnis des physikalischen Mechanismus des photovoltaischen Effekts (als Sonderfall) und des photoelektrischen Effekts im Allgemeinen. Wissenschaftler und Ingenieure konnten endlich mit offenen Augen an der Verbesserung von Halbleiter-Solarzellen arbeiten.

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