Солнечные панели: история, перспективы и опасность

В мае 2024 года в иностранных СМИ мелькала новость о том, что Калифорния уже 1,5 месяца живет только на возобновляемой энергии, а излишки продает в другие штаты.

По информации профессора Марка Джейкобсона из Стэнфордского университета, с 15 апреля 2024 года штат Калифорния ежедневно производил больше электроэнергии из возобновляемых источников, чем ему требуется. Эти успехи связывали с обильными дождями, которые повысили продуктивность гидроэнергетики. Отметим, что законодательство Калифорнии требует полного перехода на возобновляемые источники энергии к 2045 году. Джейкобсон же был уверен, что эта цель будет достигнута уже к 2035 году.

Звучит, как хорошие новости, однако мы зачастую не видим полной картины. Например, в прошлом году в The Guardian вышла большая статья «Как солнечные фермы захватили калифорнийскую пустыню: «Оазис стал мертвым морем». В ней описано как из-за солнечной фермы (размером в 150 тыс. акров, что в 10 раз превышает размер Манхэттена) страдают местные жители. Сами же солнечные электростанции создают множество экологических проблем, включая разрушение среды обитания множества животных, и «смертельные ловушки» для птиц, которые ныряют на панели, принимая их за водную поверхность.

А вот так начиналась история солнечных панелей

От крыши Нью-Йорка в 1800-х годах до первого полета в космос. От похищений и взяточничества до ошибки с чернильницей, изменившей мир… История солнечных панелей интереснее, чем вы думаете. Поэтому, предлагаем вашему вниманию перевод статьи New Atlas «Solar panels: Great moments from more than 140 years of innovation»

Краткая история солнечной энергетики

Впервые фотоэлектрическая солнечная панель была установлена ​​в 1884 году, когда Чарльз Фриттс собрал массив размером с бильярдный стол на деревянной раме на крыше в Нью-Йорке. Фриттс использовал селен, покрытый тонкой пленкой золота, достигнув эффективности менее 1% в преобразовании солнечного света в электричество, чтобы создать ток, который он описал как «непрерывный, постоянный и значительной силы».

Проект Фриттса не получил дальнейшего развития: золото и селен не были теми дешевыми и распространенными материалами, которые обычно приводят к созданию конкурентоспособной в коммерческом отношении продукции.

Перенесемся на 20 лет вперед, и видим канадского «серийного изобретателя» Джорджа Коува, полимата, который подал многочисленные патенты на конструкцию пропеллера и сбора приливной энергии, генераторы переменного тока, электрические и наручные часы. Основываясь на работе Фриттса, Коув разработал «солнечный электрический генератор», используя полупроводниковый материал с шириной запрещенной зоны, чрезвычайно близкой к кремнию — основному материалу, используемому в современных массовых солнечных панелях — и батарею для хранения и выдачи энергии.

Газеты того времени сообщали, что строительство этого генератора стоило около 20 долларов США (эквивалент 1909 года около 660 долларов США по сегодняшним деньгам), и он мог бы обеспечить все потребности в энергии дома начала 1900-х годов в течение примерно 10 лет, избавляя домовладельцев от необходимости подключаться к быстро развивающейся электросети. Его демонстрация 1909 года в Галифаксе, Новая Шотландия, привлекла значительный интерес инвесторов. К тому времени Коув открыл мастерскую в Нью-Йорке и привлек 5 миллионов долларов.

Однако затем его история приняла странный оборот —  Коув заявил, что его похитили и предложили 25 000 долларов плюс дом, если он бросит работу. По словам исследователя из Оксфорда доктора Сугандхи Шривастава, это не было возмутительным утверждением для того времени. Он отмечает, что «в то время Томас Эдисон (Edison Electric) и Дж. Д. Рокфеллер (основатель Standard Oil) были известны тем, что использовали различные «грязные» приемы, чтобы вытеснить конкурентов из бизнеса».

Коув утверждал, что отказался от предложения, и впоследствии был выпущен в зоопарке Бронкса. Критики, однако, обвинили его в том, что он инсценировал инцидент с целью мошенничества или для привлечения внимания СМИ к своему бизнесу. Как бы то ни было, бизнес Коува быстро пошел на спад и так и не восстановился — а рост угля и нефти в 1911 году вскоре затмил солнечные технологии, фактически затормозив солнечные инновации практически на 40 лет.

«Обструкционизм, — пишет Шривастава, — был основным препятствием на пути развития и внедрения возобновляемых источников энергии в прошлом и продолжает оставаться таковым сегодня».

Хотя в последующие десятилетия вокруг солнечной энергии происходило очень мало событий, в это время разрабатывались другие ключевые технологии, которые впоследствии легли в основу ее возрождения. В 1918 году польский химик Ян Чохральский непреднамеренно открыл метод выращивания монокристаллов, используемых в полупроводниковых пластинах, теперь известный как метод Чохральского. Он по-прежнему является основой 90% всей электроники сегодня.

Открытие произошло, когда Чохральский случайно окунул перо в тигель с расплавленным оловом вместо чернильницы (кажется, это была вполне разумная ошибка). «Эврика!» — он увидел затвердевающую нить олова, свисающую с его пера, и позже подтвердил, что это была монокристаллическая структура.

Солнечная энергия томилась в тени вплоть до 1954 года, когда ученые Джеральд Пирсон, Кэлвин Фуллер и Дэрил Чапин из Bell Labs – как и в Bell Telephone Company – разработали первый практический кремниевый солнечный элемент.  Эффективность преобразования составляла 6%, что было значительно лучше по сравнению с ячейками предыдущего века с эффективностью менее 1%. Ученые использовали метод получения кристаллического кремния разработанный Чохральским.

Интересное примечание: Bell Labs изобрели мазер примерно в то же время. В свое время Bell Labs была очень похожа на Google X Labs сегодня, очаг инноваций и изобретений, меняющих мир.

Первое крупное применение солнечных батарей произошло в 1958 году с запуском спутника Vanguard I, что сделало его первым объектом в космосе, работающим на солнечной энергии. Vanguard I, который немного меньше шара для боулинга, все еще вращается вокруг Земли сегодня, хотя он передал свои последние байты данных в 1964 году, проработав 6 лет. Солнечные батареи на борту имели решающее значение, поскольку одни только батареи не могли поддерживать его работу так долго.

Хотя технологические прорывы такого масштаба были редки с 1960-х по 1980-е годы, внедрение солнечных панелей медленно распространялось, особенно в отдаленных местах, где линии электропередач были непрактичны или слишком дороги. Например, радио- и телебашни, метеостанции, наземные спутниковые станции, ирригационные насосы, морские нефтяные платформы, маяки и буи начали полагаться на солнечную энергию. А в развивающихся странах солнечные технологии принесли электричество в отдаленные деревни, обеспечив такие базовые услуги, как освещение и охлаждение вакцин.

В 1989 году были разработаны многопереходные ячейки. Эти ячейки представляют собой очень тонкие слои различных материалов, которые позволяют собирать больше энергии от солнца, что делает их самыми эффективными панелями на сегодняшний день. К 2006 году исследователи достигли эффективности в 46% с многопереходными ячейками, что почти вдвое превышает эффективность лучших традиционных кристаллических кремниевых ячеек. Однако эти ячейки остаются непомерно дорогими и в основном используются в специализированных аэрокосмических направлениях, например, на Международной космической станции, которая может генерировать до ошеломляющих 120 кВт с помощью своих солнечных батарей.

Перовскит — материал, недавно попавший в заголовки новостей из-за своего фотоэлектрического потенциала — привел к дальнейшему повышению эффективности. Благодаря своей уникальной кристаллической структуре перовскит позволил тандемным ячейкам (объединяющим слои кремния и перовскита) достичь эффективности более 30% .

Двусторонние солнечные панели также приобрели популярность за последнее десятилетие. Способные улавливать солнечный свет с обеих сторон, они в основном используются на солнечных электростанциях коммунального масштаба (крупные солнечные электростанции, предназначенные для подачи энергии в сеть), подвешенные над отражающими поверхностями для максимального поглощения. Лично я установил двусторонние панели и у себя дома, и в автофургоне из-за их эффективности.

Современные солнечные панели рассчитаны на срок службы 25–30 лет, после чего их производительность начинает снижаться, но даже в этом случае они теряют всего около одного процента своей генерирующей мощности в год после истечения заявленного срока службы.

Портативная и гибкая солнечная технология теперь позволяет использовать этот дешевый и надежный источник энергии во всевозможных новых областях применения.

Однако одним из величайших прорывов в области солнечных технологий стало создание аккумуляторных батарей.

Из-за досадного ограничения, присущего солнечной энергетике, которая заключается в выработке электроэнергии только в определенные часы дня, хранение избыточной энергии имеет решающее значение для превращения солнечной энергетики в надежный круглосуточный источник энергии, особенно в масштабах муниципальной электросети.

По мере развития различных технологий аккумуляторов и снижения затрат солнечная энергия становится все более жизнеспособной для обеспечения стабильной и надежной энергии, даже ночью, с использованием групп аккумуляторов, заряжаемых солнцем. Литий-ионные аккумуляторы проложили путь, а новые технологии, такие как литий-железо-фосфат (LiFePO4), железо-воздух и более экзотические формы механического хранения энергии, продолжают улучшать плотность энергии и экономическую эффективность.

Интересно наблюдать, как эти технологии развиваются и находят свое место в будущей структуре чистой энергетики: некоторые из них призваны справляться с кратковременными, высокоскоростными скачками спроса на электроэнергию, другие нацелены на долгосрочное, постепенное укрепление сетей, чтобы гарантировать их стабильность, поскольку среднесуточная выработка солнечной энергии падает зимой и растет летом.

Несмотря на нестабильный старт в 1900-х годах, сегодня солнечная энергия является мощным двигателем и одной из самых востребованных форм энергии, поскольку мир сосредоточен на достижении нулевых выбросов углерода к 2050 году. Солнечная энергия коммунального уровня в настоящее время является второй по дешевизне формой электроэнергии на рынке, уступая только энергии наземного ветра, а с точки зрения приведенной стоимости энергии (LCoE) она примерно в два раза дешевле угольной энергии.

Пройдя путь от первой конструкции Чарльза Фриттса на крыше, она, возможно, стала одним из важнейших изобретений человечества — законно надежной, экономически жизнеспособной формой чистой энергии, способной масштабироваться достаточно быстро, чтобы поспевать за постоянно растущим аппетитом человечества к электричеству. Это замечательная история, и мы продолжаем наблюдать, как она развивается в реальном времени.

_____________________________________________________

✒️Подписывайтесь на наш Telegram-канал и смотрите видео
на канале в YouTube

📩Прислать статью [email protected]

📩У нас есть страница на Facebook и Вконтакте
📩Журнал «Гранит Науки» в Тeletype
✒️Читайте нас на Яндекс Дзен