Земля получает невероятное количество солнечной энергии. Солнце, средняя звезда, являет собой термоядерный реактор, который появился более 4 млрд. лет. В течение одной минуты Солнце обеспечивает Землю такое количество энергии, которое способно покрыть мировые потребности в энергии в течение одного года. В течение одного дня, оно вырабатывает энергии больше, чем нынешнее население будет потреблять на протяжении следующих 27 лет. На самом деле количество солнечной радиации, падающее на Землю в течение трех дней эквивалентно энергии всех ископаемые источников энергии.
Солнечная энергия как практическое в густонаселенных районах подключены к электросети местные власти, как в отдаленных районах. Среднестатистический дом имеет участок крыши, которого более чем достаточно, чтобы производить солнечную энергию для покрытия всех его потребностей в электроэнергии. С помощью инвертора, который преобразует постоянный ток от солнечных батарей в переменный ток, на котором работает почти вся бытовая техника, солнечные дома, могут выглядеть и функционировать так же, как и дома, которые подключены к обычной электрической сети. Есть еще специальный инвертор, который позволяет преобразовывать постоянный ток в переменный и используется для питания техники, а избыточная электроэнергия может подаваться обратно в электросеть.
Солнечная энергия является свободным, неисчерпаемым ресурсом, однако его освоение началось сравнительно недавно. В первые солнечная энергия была использована для выработки тепла. Швейцарский ученый Хорас де Соссюр (Horace de Saussure), построил первый тепловой солнечный коллектор в 1767 году, который впоследствии был использован для подогрева воды и приготовления пищи (это было первым открытием в области использования солнечной энергии). Первый коммерческий патент на солнечные водонагреватели зарегистрировал Клэренс Кемп (Clarence Kemp) из США в 1891 году. Эта система была куплена двумя руководителями из Калифорнии и установлена в одной трети домов в г. Пасадена в 1897.
Производство электроэнергии из солнечной энергии, было вторым открытием. В 1839 году французский физик по имени Эдмунд Беккерель (Edmund Becquerel) понял, что энергия солнца может быть использована для производства фотоэлектричества (фотоэлектрический эффект). В 1880 г., селеновые фотоэлектрические модули получили свое развитие, что позволило превращать свет в электричество с эффективностью 1-2% ( эффективность солнечной батареи это процентное соотношение имеющегося солнечного света к преобразуемой фотоэлектрическими преобразователями электроэнергии), но как происходило преобразование никто не понимал. Так было до Альберта Эйнштейна, который предложил объяснение “фотоэлектрического эффекта” в начале 1900-х годов, за которые он получил Нобелевскую премию, тогда люди начали понимать фотоэлектрический эффект.
Солнечные технологии получили развитие до современного вида в 1908 году, когда Уильям Дж. Бейли (William J. Bailey) из Карнеги Стил Компани (Carnegie Steel Company) изобрел солнечный коллектор с изолированной коробкой и медными катушками. К середине 1950-х годов Bell Telephone Labs достигла 4% эффективности, а потом и 11% эффективности, с кремниевыми фотоэлектрическими элементами. С тех пор интерес к солнечной энергии сильно возрос. В конце 1950-х и 1960-х годов развитие космических технологий дало активный толчок в разработке фотоэлементов. Фотоэлектрические модули были идеальными источниками электроэнергии для спутников, поскольку они были прочны, легки и удовлетворяли жестким требованиям. К сожалению, они не практичны для использования на Земле из-за высокой стоимости, так что дальнейшее исследование необходимо.
Солнечная энергия имеет большой потенциал, но она было отодвинута на второй план, так как ископаемые виды топлива были более доступными. Только в последние несколько десятилетий, когда растет спрос на энергию, экологических проблем все больше, а ресурсов ископаемого топлива все меньше, мы озаботились поиском альтернативных источников энергии и сосредоточили наше внимание на реальном использовании этого огромного ресурса. Например, министерство энергетики США в 1973-1974 годах во время нефтяного эмбарго финансирует установку и испытание более 3000 фотоэлектрических систем . К концу 1970-х годов энергетические компании и государственные учреждения инвестируют в солнечную энергетику, что сильно ускоряет разработку солнечных модулей. Совершенствование солнечной энергетики возобновилось во время войны в Заливе в 1990-х.
Учитывая, что первые эффективные солнечные батареи были сделаны менее чем 30 лет назад, мы прошли долгий путь. Наибольший скачок в повышении эффективности случился с появлением транзистора и полупроводниковых технологий. Себестоимость продукции снизилась почти в 300 раз по сравнению с серединой 20 века, а стоимость энергии опустилась с 200$ за ватт в 1950-х годах до всего лишь 5$ за ватт сегодня.
Мы по-прежнему используем солнечную энергию в тех же двух формах: тепловой и фотоэлектрической. Первая форма солнечной энергии концентрирует солнечные лучи, преобразует их в тепло и применяет его в парогенераторах или двигателях, где оно преобразуется в электричество, чтобы обогревать дома, нагревать воду, производить электроэнергию и т.д. Электричество генерируется, когда нагретая жидкость приводит в движение турбины или другие механизмы. Вторая форма солнечной энергии вырабатывает электричество напрямую, без движущихся частей. Сегодня фотоэлектричесая система состоит из фотоэлектрических модулей из кремния (кремний является вторым самым распространенным элементом, содержащимся в земной коре). Энергия вырабатывается, когда солнечный свет попадает на полупроводниковый материал и создает электрический ток. Наименьшая единица системы - клетка. Клетки связываются вместе, образуя модуль, а модули соединенные вместе образуют группу. Группа солнечных панелей называется массив, а несколько массивов образуют области массивов.
У фотоэлектрической солнечной энергии есть несколько преимуществ, которые делают ее одним из наиболее перспективных возобновляемых источников энергии в мире. Это экологически чистая энергия. Фотоэлектрическая система не имеет движущихся частей, которые могут сломаться, она не требует большого ухода и контроля за собой, жизнеспособность составляет 20-30 лет, эксплуатационные расходы очень низки. Уникальность заключается также в том, что система не требует крупномасштабной установки. Удаленные районы могут легко обеспечить себя электричеством путем строительства малых или больших систем по мере необходимости. Солнечные генераторы просто распространяются среди домов, школ и предприятий, где их использование не требует больших площадей, каких-то специальных разработок и является абсолютно безопасным. По мере роста населения могут быть добавлены дополнительные мощности, перерабатывающие солнечную энергию, благодаря чему производство электроэнергии идет в ногу с растущими потребностями и не требует постройки генерирующих мощностей, как это часто бывает в случае с обычными большими энергетическими системами. Сравните ее характеристики с характеристиками угля, нефти, газа и ядерной энергии и выбор будет очевиден. Технологии использования солнечной энергии предлагают чистуый, возобновляемый источника энергии.
Фотоэлектрические технологии имеют преимущество по сравнению с энергией ветра, воды и солнечной тепловой энергией. Последние три нуждаются в турбинах с движущимися частями, которые шумят и требуют технического обслуживания.
Солнечная энергия наиболее востребована сегодня в развивающихся странах, это наиболее быстро растущий сегмент фотоэлектрического рынка. Люди живут без электричества в то время, как солнце палит землю, делая солнечную энергию очевидным выбором источника энергии. Правительства этих стран считают солнечную энергетику идеальным выбором для удовлетворения потребности в электричестве тысяч отдаленных деревень в своих странах. Это гораздо более практично, чем строительство дорогих линий электропередач в отдаленных районах, где у людей нет денег для оплаты обычной электроэнергии.
Индия становится одним из основных мировых производителей фотоэлектрических модулей, солнечных батарей, с планами снабжения 100000 районов и установки солнечных батарей в телефонах 500000 своих районов. Больница в Заире обслуживает 50000 больных в год и работает исключительно на солнечной энергии. На прилавках марокканских базаров ковры, жестяные изделия и солнечные батареи лежат бок о бок. Вероятно, наиболее яркий пример приверженности страны солнечной энергии - Израиль. В 1992 году там более половины всех домашних хозяйств (700000) нагревали воду, используя солнечную энергию. И количество установок солнечной энергии увеличивается на 50000 каждый год.
Бытовое энергоснабжение является лишь одним из вариантов использования солнечной энергии. Есть четыре широкие области, где может быть использована солнечная энергия: промышленность, сельское жилье, системы соединенные с обычной электросетью и внутрепотребительское. Промышленность является крупнейшим пользователем солнечной энергии в течение последних 30 лет. Телекоммуникации, нефтяные компании, а также оборудование по обеспечению безопасности дорожного движения вдали от линий электропередач напрямую зависит от солнечной энергии. Придорожные таксофоны и освещающиеся дорожные знаки работают на солнечной энергии в целях обеспечения надежных услуг без прокладывания сотен километров проводов или дизельных генераторов. Установки не требующие участия человека и навигационные системы в суровых отдаленных районах также идеально подходят для применения солнечной энергии, потому что их требования к надежности и бесперебойности энергии очень высоки. Сельское жилье включает в себя целые деревни с домами, клиниками, школами, фермами, а также частные источники питания подсветки и малой бытовой техники. Сеть систем солнечных модулей соединенных с существующей электросетью для снабжения коммерческих структур энергией достаточной для удовлетворения их высокого спроса или в качестве дополненительной энергии к бытовым нуждам семей. Внутрепотребительское использование фотоэлектрических элементов включает наручные часы и калькуляторы; компьютеры, радиоприемники, мобильные телефоны на солнечных батареях.
Практичность и экологическая безопасность солнечной энергии влияет на людей по всему миру, что отражается ростом продаж оборудования солнечной энергии. Согласно Seimens Solar производство фотоэлектрических элементов и модулей увеличилось в три раза с 40 МВт в 1990 году до примерно 120 МВт в 1998 году. По их словам продажи во всем мире увеличиваются в среднем на 15% каждый год в течение последних десяти лет. И они считают, что существует реальная возможность продолжить рост примерно на 15% в год в течение следующих десяти лет. При таких темпах, объем мирового производства будет 1000 МВт к 2010 году.
Есть только две основных недостатка использования солнечной энергии: количество солнечного света и стоимость оборудования. Количество получаемого солнечного света в значительной степени варьируется в зависимости от географического расположения, времени суток, сезона и облачности. Юго-запад США является одним из лучших районов в мире для использования солнечного света. Также очень высокая интенсивность солнечного освещения в развивающихся странах Азии, Африки и Латинской Америки.
Но человек, живущий в Сибири не сможет полноценно воспользоваться этим возобновляемым ресурсом. И хотя технологий использования солнечной энергии претерпели огромные технологические и стоимостные улучшений, они по-прежнему остаются более дорогими, чем традиционные источники энергии. Однако солнечное оборудование в конечном итоге окупится в течение 2-5 лет в зависимости от того, как много солнца оно получает в конкретном месте. Затем пользователь будет иметь практически бесплатный источник энергии до окончания срока службы оборудования, согласно статье под названием “Энергия. Срок окупаемости солнечных батарей из кристаллического кремния” (Energy Payback Time of Crystalline Silicon Solar Modules). Дальнейшее совершенствование прогнозирует сокращение срока окупаемости от 1 до 3 лет.
Так как цена солнечной энергии снижается, а цена обычных видов топлива растет, солнечные батареи находятся на пороге новой эры международного развития. Так что солнечная энергия остается прекрасным вариантом получения энергии, по сравнению с моделью использования ископаемого топлива в качестве энергии.
