Вид сверху на солнечную электростанцию «Уарзазат» в Марокко. Ее мощность 510 МВт, и это самая большая солнечная батарея в мире
Это хорошая новость, поскольку по удельной мощности фотоэлементы превосходят любой другой вид возобновляемой энергии. Даже если считать среднюю величину за год, этот показатель уже достиг величины 10 Вт/м2 в солнечных регионах, и это на порядок больше, чем может обеспечить самое эффективное биотопливо. А с ростом конверсионной эффективности и улучшением отслеживания годовой коэффициент мощности можно будет увеличить на 20–40 %.
Но этому предшествовал долгий путь. Александр Эдмон Беккерель впервые описал фотовольтаический эффект в растворе еще в 1839 г., а в 1876 г. Уильям Адамс и Ричард Дэй открыли это явление у селена. Возможности коммерческого применения появились только после того, как в 1954 г. в Лабораториях Белла был изобретен кремниевый фотоэлемент. Даже тогда стоимость из расчета на 1 ватт составляла около $ 300 (больше $ 2300 в ценах 2020 г.) и использование фотоэлементов было невыгодным – разве что в дорогих игрушках.
Человеком, который убедил ВМФ США использовать на спутнике Vanguard 1 не только батареи, был инженер-электронщик Ханс Зиглер. В 1960-е гг. фотоэлементы смогли обеспечить электропитание более крупных спутников, что произвело революцию в таких областях, как телекоммуникация, космическая разведка, предсказание погоды и мониторинг экосистем. По мере уменьшения стоимости расширялась сфера применения, и фотоэлементы стали источником энергии для огней на маяках, на нефтяных и газовых буровых установках, работающих в открытом море, и на железнодорожных переездах.
Я купил свой первый научный калькулятор на солнечных батареях – модель TI35 Galaxy Solar компании Texas Instruments – в 1985 г., как только он поступил в продажу. Его четыре фотоэлемента (каждый площадью примерно 170 мм2) до сих пор служат мне верой и правдой, хотя прошло уже больше 30 лет.
Но генерация электроэнергии в промышленных масштабах стала возможной только после еще большего снижения цен на фотовольтаические модули. В 2000 г. во всем мире модули солнечных батарей вырабатывали меньше 0,01 % электроэнергии, десять лет спустя эта доля увеличилась более чем на порядок, до 0,16 %, а в 2018 г. – до 2,2 %; это по-прежнему немного, если сравнивать с долей электричества, произведенного гидроэлектростанциями (почти 16 % в 2018 г.). В некоторых солнечных регионах электроэнергия, получаемая от солнечных батарей, вносит существенный вклад в общий баланс, но во всемирном масштабе предстоит пройти еще долгий путь, прежде чем она сможет конкурировать с водопадами.
Даже самый оптимистичный прогноз, данный Международным агентством по возобновляемым источникам энергии, не предполагает, что к 2030 г. этот разрыв удастся преодолеть. Однако к тому времени на фотоэлементы будет приходиться до 10 % электроэнергии, вырабатываемой во всем мире, – через 70 лет после того, как маленькие солнечные элементы спутника Vanguard 1 обеспечили работу передатчика-маяка, и почти через 150 лет после того, как был открыт фотовольтаический эффект в твердом теле. Энергетические переходы во всемирном масштабе требуют времени.
Солнечный свет: все еще вне конкуренции
Прогресс цивилизации можно проследить по уровню освещения – в первую очередь по его мощности, стоимости и светоотдаче. Последний показатель отражает способность источника света вызывать значимую реакцию в глазу и вычисляется как общий световой поток (в люменах), деленный на номинальную мощность (в ваттах).
В фотопических условиях (то есть при ярком освещении, позволяющем различать цвета) светоотдача видимого света достигает пика на величине 683 лм/Вт – это максимум для волны длиной 555 нанометров (нм), которая находится в зеленой части спектра, и этот цвет при любом уровне мощности кажется самым ярким.
На протяжении многих тысячелетий наши источники искусственного освещения отставали от этого теоретического максимума на три порядка. Свечи имеют светоотдачу всего от 0,2 до 0,3 лм/Вт, фонари со светильным газом (освещавшие европейские города в XIX в.) – в 5–6 раз больше, а эффективность угольных нитей первых лампочек Эдисона оставалась примерно на том же уровне. Светоотдача резко увеличилась с появлением металлических нитей из осмия (1898; 5,5 лм/Вт) и тантала (1901; 7 лм/Вт); по прошествии еще десяти лет вольфрамовая нить в колбе, наполненной смесью азота и аргона, повысила светоотдачу обычных бытовых ламп до 12 лм/Вт, а витая вольфрамовая нить, появившаяся в 1934 г., довела ее до 15 лм/Вт для 100-ваттных ламп, которые стали стандартным источником яркого света в первые два десятилетия после Второй мировой войны.
Источники света с другим принципом действия – лампы низкого давления, натриевые и ртутные (флуоресцентные) – появились в 1930-х гг., но широкое распространение получили только в 1950-х. Лучшие современные флуоресцентные лампы с электронным балластом имеют светоотдачу на уровне 100 лм/Вт; натриевые лампы высокого давления – до 150 лм/Вт; натриевые лампы низкого давления – до 200 лм/Вт. Однако натриевые лампы излучают только монохроматический желтый свет с длиной волны 589 нм, и поэтому их не используют в помещениях: они пригодны лишь для освещения улиц.
Сегодня все наши надежды связаны со светодиодами. Светодиоды были изобретены в 1962 г. и на тот момент излучали только красный свет; через десять лет появились зеленые, а в 1990-х гг. – синие светодиоды повышенной яркости. Покрывая такие синие светодиоды флуоресцентными люминофорами, инженеры смогли преобразовать часть синего света в более теплые тона и таким образом получить белый свет, пригодный для внутреннего освещения. Теоретический предел для яркого белого светодиода составляет около 300 лм/Вт, но современным бытовым лампам до него еще очень далеко. Компания Philips продает в Соединенных Штатах – стандарт сетевого напряжения здесь 120 вольт (В) – 18-ваттные лампы мягкого белого света и лампы регулируемой мощности (замена 100-ваттных ламп накаливания) со светоотдачей 89 лм/Вт. В Европе, где напряжение сети находится в диапазоне от 220 до 240 В, Philips предлагает светодиодные лампы со светоотдачей 172 лм/Вт (замена европейских 1,5-метровых флуоресцентных труб).
Высокая эффективность светодиодов уже привела к существенной экономии электричества во всем мире; кроме того, такие лампы способны работать по три часа в день в течение двадцати лет, а если вы забыли выключить свет в доме, это почти не отразится в счете за электроэнергию. Однако, как и все остальные источники искусственного освещения, они не обеспечивают спектр излучения, сравнимый с естественным. Лампы накаливания дают слишком мало синего света, а флуоресцентные почти не излучают красного; у светодиодов недостаточная интенсивность в красной части спектра и избыточная – в синей. Их свет не слишком приятен для глаза.
