Энергия будущего: как люди используют Солнце
По легенде, первыми солнечную энергию придумали использовать древние греки. Чтобы отбить атаку римлян на город, Архимед выстроил воинов, вооруженных металлическими отполированными щитами, которые отражали лучи солнца и концентрировали их на вражеских кораблях. Деревянные корабли легко загорались. Несмотря на то что это легенда, не так давно в Греции попробовали реконструировать этот опыт — и он удался.

Дмитрий Паращук,
доктор физико-математических наук, профессор, руководитель лаборатории
органической электроники физического факультета МГУ
им. М. В. Ломоносова


Материал подготовлен
на основе видеолекции

«Почему за солнечной
энергией будущее?»
для проекта «Нау»


Откуда берется энергия

От Солнца на Земле мы имеем фантастическое количество энергии. Один час работы Солнца эквивалентен годовому потреблению энергии на всей Земле. Если мы сможем использовать энергию Солнца, другие источники энергии нам не понадобятся. Что нас ждет в будущем с точки зрения структуры энергопотребления? Сегодня мы находимся в глобальном энергетическом кризисе: энергетических ресурсов, которые мы потребляем, хватит на очень ограниченное время. Сейчас 80% энергии мы получаем за счет ископаемых ресурсов. По разным оценкам, при таких темпах использования их хватит на десятки, максимум — на сотню лет. Скорость накопления ископаемых ресурсов примерно в тысячу раз меньше скорости, с которой мы их сжигаем. Человечеству нужно думать, откуда брать энергию.

Важно отметить, что многие другие возобновляемые ресурсы связаны с солнечной энергией. Фактически ее использует гидро- и ветроэнергетика. Энергия Солнца накапливается в био- топливе: траве, соломе и всем, что
растет на поверхности земли.

Солнечные электростанции

Как устроены солнечные электростанции? Каковы принципы их работы? Возьмем термодинамические солнечные электро- станции: Солнце греет теплоноситель, например воду. Вода, разогретая до высоких температур, испаряется, пар крутит паровую турбину. Эта турбина подключена к электрогенератору и вырабатывает электричество. Таким образом солнечная энергия преобразуется в тепловую, а потом уже в электрическую.


Во многих южных странах используются солнечные коллекторы. Они позволяют пользоваться солнечной энергией,
не перерабатывая ее в электричество.
Это могут быть трубки, размещенные
на крыше дома и нагревающие воду.

Основное направление развития солнечной энергетики — солнечная фотовольтаика,
или фотоэлектрический способ преобразования солнечной энергии. Энергия света преобразуется не в тепло,
а наиболее прямым образом сразу
в электрическую энергию.
Устройство солнечных батарей

Как устроены солнечная батарея, солнечный элемент и солнечная панель? Представим пленку или пластинку,
на которую падает солнечное излучение.
Оно поглощается, в результате чего должны появляться носители электрических зарядов. Если они появляются, то можно преобразовать энергию Солнца
в электричество. Батарея должна быть устроена так, чтобы одни типы зарядов шли к одному электроду, например к электроду «минус», а остальные шли к другому, который имеет знак «плюс». Таким образом мы можем непосредственно преобразовать энергию Солнца в электричество.

В основе работы солнечных элементов,
или солнечной фотовольтаики, лежит фотоэффект: у нас есть свет, который состоит из фотонов (из элементарных носителей света), фотоны несут энергию,
их можно представить как поток частиц. Этот поток может поглотить полупроводниковый материал (металлический не подойдет), и энергия фотонов перейдет к электронам вещества. Фотоэффект известен более 100 лет; значительный вклад в понимание природы фотоэффекта внес российский физик Александр Столетов (1839–1896).







В будущем возможно появление солнечного транспорта: солнечной авиации, солнечных кораблей и солнечных автомобилей.
Все эти транспортные средства смогут питаться энергией Солнца

































Фото сгенерировано моделью ruDALL-E от Сбера по запросу «Энергия будущего»

Особенности производства

Более 90% выпускаемых солнечных модулей сегодня делаются на основе кремния.
У кремниевых солнечных батарей высокая эффективность, но она имеет свои пределы. Лучшая эффективность
у монокристаллического кремния.
Это специально выращенный совершенный кристалл из кремния диаметром 10–20 сантиметров. Из такого монокристалла нарезают пластинки, а потом из них делают солнечные элементы. Чтобы очистить полупроводниковый материал и солнечный кремний, нужно вложить довольно много энергии. Эта особенность производства приводит к тому, что кремниевые элементы довольно дороги. А человечеству нужно очень много батарей. В этом и заключается основная проблема области солнечной фотовольтаики и солнечной энергетики — нужна разработка дешевых, эффективных
и долговечных солнечных элементов.


Наиболее эффективные солнечные батареи — мультикаскадные. Они представляют собой множество полупровод- никовых слоев, образующих многослойный «сэндвич». Фактически он состоит
из нескольких солнечных элементов, которые преобразуют разные области солнечного сектора, например синюю часть, красную часть, инфракрасную часть. Многослойные элементы очень дóроги,
их применение оправданно только в тех местах, где много солнца и прозрачная атмосфера, потому что для таких элементов необходимы концентраторы,
например параболические зеркала.
Они концентрируют энергию Солнца
на активный элемент — чип.
Он небольшой, порядка одного квадратного сантиметра, но именно так удается эффективно использовать энергию
в таких солнечных элементах.
Будущее энергетики

Мировая солнечная фотовольтаика развивается очень быстрыми темпами.
Рост составляет примерно 25–30% в год. Установленная мощность солнечных батарей в мире сейчас исчисляется
цифрой более 600 ГВт. Солнечная энергетика постепенно занимает все бóльшую и бóльшую долю выработки
в электроэнергетике.

Доля солнечной энергетики в электро- энергетике в абсолютных цифрах
не слишком велика. Чуть больше
2% от всего электричества мы получаем благодаря Солнцу. В некоторых странах,
где солнечная энергетика развивается наиболее активно, эта доля может составлять 10%, и с каждым годом
она становится все больше и больше.

В будущем возможно появление
солнечного транспорта: солнечной
авиации, солнечных кораблей
и солнечных автомобилей. Все эти транспортные средства смогут
питаться энергией Солнца.




Солнечной батареей
называют модуль, панель, массив, иногда элемент

































Фото сгенерировано моделью ruDALL-E от Сбера по запросу «Энергия будущего»