В наше время тема развития альтернативных способов получения энергии как нельзя более актуальна, ведь традиционные источники стремительно иссякают, уже сейчас энергетические ресурсы довольно дороги и в значительной мере влияют на экономику многих государств. Все это заставляет жителей нашей планеты искать новые способы получения энергии. И одним из наиболее перспективных направлений является получение солнечной энергии.
Человек с самых древних времен учился пользоваться дарами Солнца. Даже простой костер, который согревал наших предков тысячи лет назад и продолжает это делать теперь, является по сути дела использованием солнечной энергии, накопленной древесиной. По легенде, великий греческий ученый Архимед сжег неприятельский флот, осаждавший его родной город Сиракузы, с помощью системы зажигательных зеркал. Доподлинно известно, что около 3 000 лет назад султанский дворец в Турции отапливался водой, нагретой солнечной энергией. Древние жители Африки, Азии и Средиземноморья получали поваренную соль, выпаривая морскую воду на солнце. Однако много полезных открытий произвели опыты с зеркалами и увеличительными стеклами. Первые солнечные нагреватели появились во Франции в XVIII в. Естествоиспытатель Ж. Бюффон создал большое вогнутое зеркало, которое фокусировало в одной точке отраженные солнечные лучи. Это зеркало было способно в ясный день быстро воспламенить сухое дерево на расстоянии 68 м. Вскоре после этого шведский ученый Н. Соссюр построил первый водонагреватель. Это был всего лишь деревянный ящик со стеклянной крышкой, но вода, налитая в него, нагревалась солнцем до 88°С. В 1774 г. великий французский ученый А. Лавуазье впервые применил линзы для концентрации тепловой энергии солнца. Вскоре в Англии отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, расплавлявшее чугун за три секунды и гранит - за минуту.
Система зажигательных зеркал Архимеда
Но Солнце способно удовлетворять и более масштабные потребности человека. По подсчетам ученых, человечество нуждается в десяти миллиардах тонн топлива, а Солнце в течение года способно предоставить около ста триллионов тонн. Нужно только взять это энергетическое богатство, и люди получат количество энергии, превышающее необходимые ресурсы в десять раз! Вот этот вопрос и является крайне актуальным для науки.
А.Э. Беккерель
Результатом многолетней работы ученых стало такое устройство как солнечная батарея. Начальной точкой развития солнечных батарей является 1839 г., когда был открыт фотогальванический эффект - преобразование энергии солнца в электричество. Это открытие было сделано Александром Эдмоном Беккерелем. Следующим этапом в истории солнечных батарей стала деятельность Чарльза Фриттса, который в 1883 г. сконструировал первый модуль с использованием солнечной энергии. Основой изобретения послужил селен, покрытый тонким слоем золота. Исследователь пришел к выводу, что данное сочетание элементов позволяет, пусть в минимальной степени (не более 1%), преобразовывать солнечную энергию в электричество. Первые солнечные батареи, способные преобразовывать солнечную энергию в механическую энергию пара, были построены во Франции. В конце XIX в. на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор - аппарат, который при помощи зеркала фокусировал лучи на паровом котле. Котел приводил в действие печатную машину, печатавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в США построили подобный аппарат мощностью в 15 лошадиных сил.
Инсолятор изобретателя О. Мушо
Конечно, до создания современных солнечных батарей было еще далеко. В течение последующих десятилетий это направление научных исследований развивалось нестабильно. Периоды интенсивной деятельности сменялись резкими спадами. Многие склонны считать, что история солнечных батарей ведет свое начало с деятельности Альберта Эйнштейна. В частности, великий ученый получил в 1921 г. Нобелевскую премию именно за изучение особенностей внешнего фотоэффекта, а не за обоснование знаменитой теории относительности. В 30-ых гг. советские физики во главе с академиком А.Ф. Иоффе получили электрический ток, используя фотоэффект. Правда, коэффициент полезного действия (КПД) тогда не превышал 1%, но и это являлось серьезным научным шагом. Уже в 1954 г. группа американских ученых добилась 6% КПД. В этом году свет увидела первая кремниевая солнечная батарея. В 1958 г. солнечная батарея стала основным источником получения электроэнергии на космических аппаратах: и на советских, и на американских. Но приборы продолжали совершенствовать. В 70-х гг. КПД составлял уже 10%. Такие показатели были вполне приемлемыми для использования альтернативных устройств получения энергии на космических аппаратах, но использовать солнечные батареи на Земле пока не имело смысла. Да и стоили они весьма дорого из-за высокой стоимости материалов: цена1 кгкремния составляла около $100. Успешное и стабильное производство солнечных батарей было налажено только в конце 80-х, а в 90-х гг. группа ученых из США смогла добиться значительного повышения эффективности таких батарей, создав особый цветосенсибилизированный тип, отличавшийся простотой производства, невысокой себестоимостью материалов, экономичностью. На сегодняшний день выпускаемые солнечные батареи имеют КПД чуть больше 20%.
Американский спутник OSO на солнечных батареях (запущен в 1962 г.)
Первая промышленная солнечная электростанция была построена в1985 г. в СССР в Крыму, недалеко от г. Щелкино. СЭС-5 имела пиковую мощность 5 МВт. Столько же, сколько у первого ядерного реактора. За 10 лет работы она выработала всего 2 млн кВт/час электроэнергии, однако стоимость ее электричества оказалась довольно высокой, и в середине 90-х ее закрыли. В это время в Штатах компания Loose Industries в конце1989 г. запустила 80-мегаваттную солнечно-газовую электростанцию. За следующие 5 лет та же компания, только в Калифорнии, построила таких СЭС еще на 480 МВт и довела стоимость одного «солнечно-газового» кВт/часа до 7-8 центов. Что совсем неплохо по сравнению с 15 центами за кВт/час энергии, производимой на АЭС. Больше всего солнечные батареи используются в Германии – 36%, за год вырабатывается 1000 МВт. Затем идут США и Испания. Батареи размещаются на крышах домов и заводов и помогают экономить земные ресурсы. Компания «Самсунг» выпустила серийный нетбук на солнечных батареях – NC215S, время работы которого составляет около 15 часов. Первый телефон, способный подзаряжаться от солнечных элементов, – Samsung E1107, час на солнце обеспечит до 10 мин разговора. А калькуляторы и компьютерные клавиатуры вообще могут работать вечно, располагая такой батарейкой.
Первый в мире нетбук на солнечной батарее
Одно из главных достоинств солнечной энергии - ее экологическая чистота. Правда, соединения кремния могут наносить небольшой вред окружающей среде, однако по сравнению с последствиями сжигания природного топлива такой ущерб незначителен. Полупроводниковые солнечные батареи имеют очень важное достоинство - долговечность. Уход за ними не требует от персонала особенно больших знаний. Вследствие этого солнечные батареи становятся все более популярными в промышленности и быту. Несколько квадратных метров солнечных батарей вполне могут решить все энергетические проблемы небольшой деревушки. В странах с большим количеством солнечных дней - южной части США, Испании, Индии, Саудовской Аравии и прочих - давно уже действуют солнечные электростанции. Некоторые из них достигают довольно внушительной мощности. Сегодня уже разрабатываются проекты строительства солнечных электростанций за пределами атмосферы - там, где солнечные лучи не теряют своей энергии. Уловленное на земной орбите излучение предлагается переводить в другой тип энергии - микроволны - и затем уже отправлять на Землю. Все это звучит фантастично, однако современная технология позволяет осуществить такой проект в самом близком будущем.
Крымкая солнечная электростанция
Обзор подготовила Елена Михаленко