Ручное солнце

Сто лет назад американский физик Роберт Эндрюс Милликен опытным путём подтвердил эйнштейновское уравнение, описывающее явление фотоэффекта, на основе которого работают панели современных солнечных электростанций.

В 1905 году, который вошёл в историю физики как «Год чудес» из-за большого количества революционных открытий, Альберт Эйнштейн, опираясь на гипотезу Планка о квантовой природе света, описал явление фотоэффекта специальным уравнением. За эту работу в 1921 году он получил свою первую Нобелевскую премию.

Роль американца Роберта Милликена в этом открытии чисто практическая – он экспериментально подтвердил изыскания Эйнштейна и на основании его работ вычислил постоянную Планка – ключевое понятие квантовой физики. Казус в том, что Милликен сначала не хотел признавать результатов собственных экспериментов, считая корпускулярную теорию света Эйнштейна радикальной. Уже закончив опыты, Милликен писал в 1916 году: «Уравнение фотоэффекта Эйнштейна…, по моему мнению, не может рассматриваться как имеющее хоть какое-то удовлетворительное теоретическое обоснование», – даже если «оно действительно очень точно описывает процесс» фотоэффекта. В 1923 году Милликен был удостоен Нобелевской премии в области физики «за работы по определению элементарного электрического заряда и фотоэлектрического эффекта».

Кто ещё «гнался за солнцем»

Разумеется, было бы ошибочным приписывать лавры «отцов» солнечной энергетики только Эйнштейну и Милликену. Историки науки утверждают, что первым обратил внимание на связь света и электричества французский физик А. Э. Беккерель. В 1839 году, проводя опыты, он открыл так называемый фотовольтаический (фотогальванический) эффект, при котором в веществе под воздействием света возникает напряжение, или электрический ток.

А вот мнения о том, кто создал первый фотоэлектрический элемент, расходятся. По одной из версий, 1883 год можно считать годом начала практической солнечной энергетики. Именно тогда американский инженер Ч. Фриттс создал прототип солнечной батареи. Его элемент был изготовлен из покрытого золотом селена и имел КПД 1%. То есть из 100% солнечного света в электрическую энергию превращался только один. И всё равно Фриттс считал свою «батарейку» революционной, что недалеко от истины.

Изучал фотоэлектрические процессы и русский физик Александр Столетов. Он установил эмпирическую связь между величиной фототока и световым потоком, падающим на образец (так называемый 1-й закон фотоэффекта). В 1888 году Столетов начинает исследование фотоэффекта, открытого за год до этого Генрихом Герцем. Эти исследования, продолжавшиеся два года, принесли учёному мировую известность. В рукописях Столетова сохранилась схема установки – также прообраза солнечного элемента, на которой он проводил свои эксперименты. Основная часть установки – конденсатор, состоящий из металлической сетки – анода и плоского металлического диска – катода. При освещении катода светом вольтовой дуги гальванометр фиксировал наличие тока в цепи.

Большой вклад в создание прототипов солнечных батарей сделал итальянский учёный армянского происхождения Джакомо Чамичан. В 1912 году на 8-м Международном конгрессе по прикладной химии, представляя проект своей солнечной батареи, он так описывал энергетическое будущее человечества: «На засушливых землях будут возникать промышленные колонии без дымящихся труб; леса стеклянных трубок будут распространяться на равнинах, и стеклянные здания будут расти везде; внутри них будут проходить фотохимические процессы, которые до настоящего времени были неведомой тайной растений, но всё это будет освоено человеческой цивилизацией, которая будет знать, как получить ещё более обильные плоды… И если в недалёком будущем запасы угля будут полностью исчерпаны, цивилизация не пропадёт, а будет существовать до тех пор, пока светит солнце!»

В Советском Союзе опытные сернисто-таллиевые фотоэлементы были созданы под руководством академика Абрама Иоффе в 1930-х годах. Однако первые «настоящие» солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников появились лишь в 1954-м. Их изготовили специалисты компании Bell Laboratories Кельвин Фуллер, Дэрил Чапин и Геральд Пирсон. КПД батарей равнялся 4%. 17 марта 1958 года был запущен американский спутник Vanguard 1, на котором были установлены такие батареи. А 15 мая 1958 года в космос отправился советский Спутник-3 также с кремниевыми солнечными батареями на борту.

Ещё одной крупной вехой в истории освоения солнечной энергии можно считать запуск первой коммерческой СЭС Lugo в США в 1982 году. Её мощность составила… 1 МВт.

Проблемы и перспективы «приручения» звезды

Прошли десятилетия, но низкая производительность фотоэлементов по-прежнему остаётся головной болью энергетики, основанной на преобразовании энергии света в электричество. То есть, имея неограниченный ресурс в виде Солнца, мы пока не можем создать эффективные солнечные батареи, которые бы «похоронили» прочие виды генерации. КПД серийно выпускаемых сегодня солнечных панелей лежит в пределах 15–20%, хотя, по расчётам, с одного квадратного метра площади можно получать мощность до 130 Вт.

Ещё одна проблема солнечной генерации, основанной на полупроводниковых панелях, заключается в том, что выработка энергии возможна только в светлое время суток. А ведь потребность в дополнительном электричестве для освещения возникает как раз вечером. Выход заключается в создании эффективных промышленных аккумуляторов, которые могли бы отдавать электроэнергию, выработанную СЭС, когда генерация не осуществляется. Но пока таких накопителей нет.

Вызывает вопросы и «экологичность» СЭС. Во-первых, тысячи тонн отслуживших свой срок панелей, содержащих вредные вещества типа кадмия, нужно как-то утилизировать. Во-вторых, СЭС большой площади из-за сильного нагрева атмосферы над ними способны изменять микроклимат региона, в котором они установлены, и не всегда в лучшую сторону.

Тем не менее объём солнечной генерации за рубежом сегодня составляет уже более 220 ГВт. Лидируют в этой области Германия, США, Индия и Китай. Немецкие солнечные станции обеспечивают страну пятой частью электроэнергии, в России же их доля в электрогенерации меньше 1%. Установленная мощность солнечных электростанций, построенных В России за последние два года составляет порядка 70 МВт (станции расположены в Оренбургской области, Республиках Алтай, Башкортостан, Дагестан и Хакасия). Кроме этого пять парков солнечной генерации есть в Крыму - общей мощностью 220 МВт, и одна небольшая СЭС в Якутии - 1 МВт. Однако согласно государственной программе развития СЭ, до 2020 года в России должны быть построены солнечные электростанции суммарной мощностью 1,5 ГВт. Этой задаче, в частности, способствуют два постановления, подписанных недавно Дмитрием Медведевым. Первое устанавливает порядок и условия предоставления из федерального бюджета субсидий для компенсации стоимости технологического присоединения малых генерирующих объектов ВИЭ с установленной генерирующей мощностью не более 25 МВт. Второе – призвано стимулировать производство оборудования для СЭ, конкретно – передовых технологий, основанных на физическом явлении HIT-гетероперехода, позволяющем совмещать кристаллическую и тонкоплёночную технологии производства полупроводников для батарей.