Пылающий шар, превышающий радиус Земли в 109 раз, вот уже 4,6 миллиардов лет выбрасывает свои ядерные запасы в окружающий космос и в нашу солнечную систему. Пройдя 149 миллионов километров или 8 световых минут в направлении поверхности Земли, агрессивное радиоактивное излучение теряет 60 процентов своей силы. Атмосфера блокирует часть инфракрасной радиации, жесткие икс-лучи и гамма-лучи. Мощь солнечной радиации превращается в ласковое тепло, позволяющее всему живому на планете развиваться. Использование всего лишь одного процента солнечной энергии могло бы обеспечить в ближайшем будущем все потребности мировой энергетики. Раскаленная звезда, состоящая в основном из водорода и гелия, таит в себе немало загадок.
Солнце — это жизнь
Без солнца у нас не было бы воздуха. Растения суши и океанов высвобождают кислород в процессе фотосинтеза. Листья содержат сложную систему антенн для улавливания квантов света. Свет запускает синтез органических веществ из углекислого газа и воды. Через миллионы лет остатки растений превращаются в уголь, торф и другие земные богатства. Благодаря кислороду существует защитный озоновый слой Земли. Степень освещенности оказывает влияние на биоритмы животных. Здоровье и продуктивность разных организмов зависит от Солнца. Гормональная система человека устроена так, что с заходом солнца начинается синтез гормонов сна, а при первых лучах солнца в кровь выбрасываются пробуждающие вещества. Глубокий сон вызывает мелатонин, а на рассвете синтезируется серотонин и норадреналин. Феномены, связанные с дневными ритмами изучает хронобиология. Прочностью скелета мы также обязаны Солнцу. Под действием ультрафиолета в коже синтезируется витамин D, обеспечивающий всасывание кальция и фосфора.
Экологически чистая энергия
Первая солнечная технология появилась в России, но как отрасль она развилась далеко за пределами нашей родины. Работа всех солнечных батарей основана на фотоэффекте.
Фотоэлектрический эффект — это испускание электронов веществом под действием света или любого другого электромагнитного излучения. Это открытие связано с такими именами ученых, как Александр Беккерель, Уиллоуби Смит и Генрих Герц. Русский физик Александр Столетов сделал несколько важных открытий в этой области, в том числе вывел первый закон внешнего фотоэффекта. В экспериментальной установке был выработан первый электрический ток, рожденный световыми лучами. Фактически это и был первый фотоэлемент. Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В 1921 году Эйнштейн получил Нобелевскую премию. Спустя 30 лет потенциал солнечных батарей был по достоинству оценен на практике. В 1958 году американцы запустили на орбиту Земли первый спутник с солнечными батареями — Vanguard 1, а чуть позже СССР запустил «Спутник-3».
Несмотря на успехи в космической отрасли, солнечная энергетика в России по сей день считается не очень перспективной. Энергетическая стратегии России на период до 2030 года ориентирована на добычу ископаемого топлива, а дотаций на развитие солнечной энергетики практически нет. Тем не менее, в Испании, Германии и США солнечная энергетика составляет на сегодняшний день 10% от всей энергетики, к 2050 году в этих странах планируется задействовать до 75% солнечных мощностей. Такие оптимистичные прогнозы основываются на стремительном развитии отрасли.
Эволюция солнечных материалов
Производство кристаллического кремния — базового элемента солнечных батарей — было экологически грязным, имело высокую энергоёмкость, но низкий выход производимого продукта. С начала 1970-х годов в СССР, Германии и США занимались разработкой новых технологий получения кремния. В середине 1980-х годов немецкие и американские компании сообщили о создании технологии получения высокочистого «солнечного» аморфного кремния, основанной на карботермическом восстановлении особо чистых кварцитов.
В конце 60-х годов средняя стоимость производства панелей была 100 000 $ за киловатт мощности. На данный момент технологии в 500 раз менее затратны. Удешевление материалов наблюдается каждый год за счет развития электроники и поиска новых полупроводников с большим КПД фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. Сегодня средний КПД — всего 16 процентов. По прогнозам Европейской ассоциации фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными энергосистемами, упадёт ниже 0,10—0,15 евро за киловатт-час.
По строению солнечный элемент похож на бутерброд, состоящий из двух полупроводниковых пластинок. В наружной n–пластинке — переизбыток электронов. Во внутренней р-пластинке — их недостаток. Фотон, попадая в n-пластинку, пробуждает дремлющий в ней электрон, который переходит в р-пластину. Это движение и создает электрический ток. Будущее солнечной энергетики эксперты связывают с совершенствованием материалов для этих двух слоев.
Три способа преобразования солнечной энергии
У солнечной энергетики есть главные направления развития — фотоэлектроэнергетика, гелиотермоэнергетика и производство солнечных коллекторов для теплоснабжения.
Обычный элемент фотоэлектроэнергетики — солнечная батарея. Она используется как автономная система, а так же совместно с электросетями. В гелиотермоэнергетике используют термодинамические преобразователи. В них солнечная энергия трансформируется сначала в тепло, затем преобразуется в механическую энергию и далее — в электрическую. Крупнейшая на сегодняшний день гелиотермальная электростанция мощностью 300 МВт построена в Испании (провинция Андалузия). В США самые крупные солнечные электростанции находятся в штатах Невада (60 МВт), Калифорния (250 МВт) и Аризона (280 МВт). Вблизи таких станций опасно находиться человеку. Их строят в основном в пустынях.
Наиболее простым элементом солнечного коллектора является теплопоглощающая пластина. Она покрыта металлом, который поглощает солнечное излучение и нагревается выше температуры окружающей среды. Затем пластина отдает энергию посредством излучения и переносит тепло в жидкость-теплоноситель, который наполняет систему горячего водоснабжения.
Мы мало знаем о Cолнце
Роль Солнца гораздо сложнее и значительнее, чем предполагалось ранее. Александр Леонидович Чижевский (1897-1964) научно доказал взаимосвязь активности Солнца и земного исторического процесса. Он первым показал совпадение взрывов на Солнце с мощными землетрясениями и извержениями вулканов.
Знаковые социальные явления великий ученый также связывал с активностью Солнца. Многолетние наблюдения и статистически подкрепленные данные позволили Чижевскому открыть 11-ти летний ритмически повторяющийся цикл развития солнечной активности, в котором он выделил 4 этапа: периоды минимума и увеличения активности длятся 5 лет, периоды максимума и деградации проходят за 6 лет.
Научные труды Чижевского используются в прогнозировании геологических, биологических и метеорологических событий. В 1958 году, в период максимума, Н.С. Щербаков предсказал размножение саранчи в Туркмении, в результате чего проблема была своевременно ликвидирована. Камчатский ихтиолог И.Б. Бирман наглядно показал в своей докторской диссертации причины резкого уменьшения запасов кеты. Онкологи определили, что именно в период спокойного Солнца возникает наибольшая заболеваемость раком. Астрофизиками НАСА установлено, что сейчас светило на пике 11-ти летнего цикла активности и на Солнце все чаще фиксируют коронарные дыры — области с повышенной скоростью солнечного ветра. Такие мощные выбросы плазмы на порядки увеличивают частоту магнитных бурь на Земле.
Различные виды излучения Солнца исследуются в режиме реального времени. Российский астрофизический спутник «Спектр-Р», запущенный в 2011 году, изучает космическую погоду. Приборы спутника показывают флуктуации в плазме в такой области частот, которая практически не исследована учеными. Эти потоки плазмы серьезно влияют на деятельность человека. Например, они нарушают радиосвязь в полярных районах и выводят из строя земную и космическую технику.