Почти вся энергия, которой пользуется человечество, так или иначе пришла от Солнца. Уголь и нефть — это солнечный свет, запасённый древними растениями и организмами; ветер и течение рек тоже приводятся в движение солнечным теплом. Но можно обойтись без посредников и брать энергию прямо из света.
Сколько энергии приходит от Солнца
В недрах Солнца ядра водорода сливаются в ядра гелия, и часть массы превращается в энергию. До Земли доходит ничтожная доля этого излучения, но и она огромна. На каждый квадратный метр, расположенный перпендикулярно лучам у верхней границы атмосферы, приходится около 1,36 киловатта. До поверхности в ясный полдень доходит примерно киловатт. По распространённой оценке, за час с небольшим Земля получает от Солнца столько энергии, сколько всё человечество расходует за год.
Трудность не в количестве, а в том, что этот поток рассеян по большой площади, меняется со временем суток и сезоном и зависит от облаков.
От открытия до спутников
То, что свет способен порождать электрический ток, заметил в 1839 году французский физик Александр Эдмон Беккерель, работая с электродами в растворе. Объяснение явлению дала уже квантовая теория в начале XX века. Первые пригодные к делу кремниевые элементы создали в середине 1950-х годов в США; они превращали в электричество лишь несколько процентов падающего света и стоили очень дорого.
Спасли технологию космические аппараты. Спутнику нужен лёгкий источник питания, работающий годами без топлива, и цена здесь была вопросом второстепенным. Уже с конца 1950-х годов солнечные батареи стали летать в космос, а со временем подешевели настолько, что появились на крышах домов.
Что происходит внутри панели
Основа солнечного элемента — тонкая пластина кремния, полупроводника. В неё добавлены примеси так, что одна сторона имеет избыток подвижных электронов, а другая — недостаток. На границе между слоями возникает внутреннее электрическое поле.
Когда частица света попадает в кремний и отдаёт энергию электрону, тот освобождается и может двигаться. Внутреннее поле гонит освободившиеся электроны в одну сторону. Если соединить две стороны пластины проводом, по нему пойдёт ток. Движущихся частей нет, шума нет, топлива не требуется.
Серийные кремниевые панели превращают в электричество примерно пятую часть падающего на них света. Остальное уходит в тепло или отражается. У одиночного кремниевого элемента есть теоретический предел, немного превышающий тридцать процентов; обойти его позволяют многослойные конструкции, где разные слои улавливают свет разных цветов.
Не только батареи
Есть и другой путь — тепловой. Зеркала собирают лучи на приёмнике, где нагревается теплоноситель, а дальше всё как на обычной электростанции: пар вращает турбину. Достоинство таких станций в том, что тепло можно запасти, например в расплавленной соли, и вырабатывать ток после захода солнца.
Самое простое применение — солнечные коллекторы для нагрева воды. В тёплых странах тёмные баки и трубки на крышах давно стали привычными.
Сильные и слабые стороны
- Достоинства. Нет выбросов при работе, почти нет обслуживания, срок службы панелей исчисляется десятилетиями. Установку можно сделать любого размера — от калькулятора до поля в несколько квадратных километров — и поставить рядом с потребителем.
- Ночь и облака. Выработка следует за солнцем, а не за потребностями людей. Нужны накопители или другие источники, которые подхватывают нагрузку вечером и зимой.
- География. В высоких широтах зимой света мало как раз тогда, когда энергии требуется больше всего.
- Производство и утилизация. Изготовление панелей требует энергии и чистых материалов, а отслужившие модули нужно перерабатывать.
Свет как ресурс
Солнечная энергетика не отменяет других источников, но у неё есть свойство, которого нет ни у одного из них: её ресурс заведомо превосходит любые человеческие потребности и не иссякнет миллиарды лет. Вопрос только в том, насколько дёшево и удобно мы научимся его собирать и хранить. Растения, к слову, решают эту задачу сотни миллионов лет — правда, с куда меньшей отдачей, чем кремниевая пластина.
