Похищение ученого, судьбоносная ошибка и дебют на орбите – путь солнечной энергетики

Согласно прогнозам, уже к середине века на долю солнечной энергетики будет приходиться до четверти всей глобальной генерации. В рамках "зеленого перехода" правительства многих стран задумались о масштабном строительстве СЭС и уже мало кого удивляет наличие солнечных панелей в домохозяйствах.

Путь к статусу одного из наиболее перспективных источников электрогенерации был длинным (целых 140 лет) и непростым. Солнечные панели – одно из важнейших достижений науки, а история их становления гораздо интереснее, чем кажется. Liga.Tech рассказывает о некоторых наиболее драматичных поворотах.

Селеновый блинчик и солнечный генератор

Попытки преобразовывать солнечное излучение в электроэнергию начались еще до того, как последнее стало обыденностью в домохозяйствах развитых стран. Первая фотовольтажная панель была развернута в 1884 году на крыше одного из нью-йоркских домов. Она состояла из деревянной рамы размером с бильярдный стол и селена, покрытого сверху тонким слоем золота.

Изобретение американского ученого Чарльза Фриттса имело коэффициент эффективности превращения солнечной энергии в электрическую менее 1%. Хотя получаемый ток описывался как "стабильный, непрерывный и сильный", дальнейшего развития изобретение не получило. Помешали препятствия сугубо экономического характера – золото и селен не принадлежат к дешевым или распространенным материалам.

Через 20 лет развить идеи Фриттса взялся его канадский коллега Джордж Коув.

Последнего частенько называют "серийным изобретателем" из-за большого количества зарегистрированных патентов, среди которых конструкции винтов, устройство для генерации электроэнергии из приливов, генераторы переменного тока и электрические часы.

Взяв за основу труды Фриттса, он разработал концепт "солнечного электрического генератора". Для его создания Коув пользовался полупроводниковым материалом, чьи характеристики были очень близки к кремнию, из которого сейчас производится большинство солнечных панелей. Также устройство было оборудовано батареей для накопления электроэнергии.

Газеты начала ХХ века рассказывали, что генератор обойдется в $20 (приблизительно $660 по нынешнему курсу) и сможет удовлетворять все потребности среднего домохозяйства того времени в течение 10 лет. Первая демонстрация изобретения Коува в 1909 году произвела настоящий фурор среди инвесторов: канадцу удалось привлечь $5 млн и открыть мастерскую в Нью-Йорке.

Казалось бы, дело осталось за малым – доделать устройство, запустить в серию и нанять бухгалтера, чтобы подсчитывать прибыль. Однако история с солнечным генератором получила причудливый поворот уже в том же году: 19 октября пресса сообщила о похищении Коува. Как он сам рассказал позже, похитители предложили ему $25 000 и дом в обмен за отказ от дальнейшей разработки устройства. Коув отказался и впоследствии был выпущен в зоопарке округа Бронкс.

Относительно того, что это вообще такое было, есть две версии. Согласно первой, Коува действительно похитили, ведь его изобретение могло испортить дела очень многим компаниям. В частности, Edison Electric, которая развивала сеть электростанций, или Standard Oil Джона Рокфеллера.

В те времена крупные бизнес-империи не гнушались откровенно грязных методов избавиться от конкурентов: например, автопроизводители скупали трамвайные депо и закрывали их, чтобы увеличить спрос на свою продукцию.

Согласно второй версии, Коув пошел на инсценировку, чтобы прикрыть плохое положение дел в своей компании. Или таким образом канадец хотел привлечь внимание и получить бесплатную рекламу. Хотя последнее предположение вызывает сомнение, ведь "солнечный генератор" и так успел наделать немало шума. Сам же Коув обвинял в организации своего похищения бывшего инвестора Фредерика Хуэстеса.

В любом случае после истории с похищением бизнес Коува быстро пришел в упадок и уже не восстановился. А дальше начался бум нефтяной и угольной промышленности и электростанций на основе ископаемого топлива. На следующие четыре десятилетия солнечная энергетика впала "в спячку" – никаких крупных коммерческих проектов, связанных с ней, не возникало. А современные авторы жанра альтернативной истории получили интересный сюжет – "а если бы у Джорджа Коува" все получилось.

Польский кристаллический прорыв

Впрочем, нельзя сказать, что вышеупомянутый период стал полностью потерянным для солнечной энергетики: тогда состоялся ряд научных открытий, позволивших этой сфере громко о себе заявить в середине века.

В 1918 году польский химик Ян Чохральский открыл метод выращивания монокристаллов, который впоследствии назвали в его честь. Он стал основой для 90% современной электроники в целом и активно используется при производстве полупроводниковых панелей.

Как это довольно часто бывает с важными технологическими прорывами, метод Чохральского был открыт благодаря слепому случаю. Химик вместо чернильницы погрузил свое перо в тигель с расплавленным оловом. Наблюдая за твердеющей нитью олова, Чохральский почувствовал тот самый "эврика-момент". Он заменил перо микроскопическим куском металла и в ходе экспериментов смог создать монокристаллы диаметром в 1 мм и длиной до 150 см.

Заложенным Чохральским фундаментом воспользовались в 1954 году, когда солнечная энергетика снова напомнила о себе. Американские ученые Джеральд Пирсон, Келвин Фуллер и Дэрил Чепин из Bell Labs разработали первый кремниевый фотоэлемент. Он имел коэффициент превращения солнечной энергии в электрическую на уровне 6%. Согласно расчетам исследователей, в идеальных условиях этот показатель мог достигать 23%, однако полученный по факту результат был значительно лучше – менее 1% в экспериментах Фриттса веком раньше.

Космос уносит лучшее

Первое значительное практическое применение солнечных панелей произошло уже через четыре года: их поместили на спутник Vanguard 1. Соответственно, он стал первым объектом в открытом космосе, который питался солнечной электроэнергией.

По своим размерам "Авангард 1" был чуть меньше шара для боулинга. Свой последний пакет данных он передал еще в 1964 году, но продолжает вращаться вокруг Земли. Собственно, именно солнечные батареи позволили ему стабильно работать целых 6 лет – одних батарей спутника не хватило бы на так долго.

Середина прошлого века стала периодом бума атомной энергетики: в ней видели антидот зависимости от ископаемого топлива, а также источник большого количества экологической электроэнергии. Тем не менее солнечные панели постепенно наращивали свое присутствие на рынке. Особым спросом они пользовались в местах, где проведение линий электропередач было невозможным или слишком дорогим.

Например, на удаленных радио- или телебашнях, метеостанциях, наземных центрах управления спутниками, морских платформах, маяках, буях и т.д. В развивающихся странах эта технология в принципе сделала возможным освещение или работу холодильников в отдаленных селах.

В 1989 году были изобретены многопереходные фотоэлементы, использующие очень тонкие слои различных материалов, чтобы обеспечивать наилучший коэффициент преобразования солнечной энергии. К 2006 году удалось достичь показателя эффективности в 46%, что почти вдвое превосходит результативность лучших образцов кремниевых панелей.

За это пришлось расплачиваться высокой ценой, поэтому подобными элементами пользуются только ведомства с очень большими бюджетами. К примеру, аэрокосмические агентства. Так, установленные на МКС панели с такими элементами могут генерировать до 120 кВт. Этого достаточно, чтобы полностью зарядить типичный современный электромобиль.

Дальше больше?

Не так давно в центре внимания медиа оказался минерал перовскит, структура которого обеспечивает ему колоссальный потенциал для использования в фотоэлементах. Слои перовскита в тандеме с кремнием обеспечивают эффективность до 30%.

В последнее десятилетие приобрели популярность двусторонние солнечные панели, которые способны улавливать солнечный свет с обеих сторон. В основном их используют на больших СЭС общего пользования, подключенных к энергосети. Как правило, их подвешивают над отражающими поверхностями для максимального поглощения.

Большинство современных солнечных панелей рассчитаны на 25-30 лет эксплуатации. Однако даже по истечении этого срока они не ломаются, а лишь постепенно начинают терять свою генерирующую мощность. Сейчас СЭС – это вторая по объему генерации "зеленая" разновидность электроэнергии на рынке, которая уступает только ветровым электростанциям на побережьях.

Долгое время главным изъяном солнечных панелей было то, что они могли полноценно работать только в светлую часть суток. Здесь им на выручку пришли литиево-ионные батареи и другие решения в аккумулировании энергии, позволяющие увеличить объемы хранения и сэкономить.

Скорее всего, солнечное электричество ожидают новые прорывы, ведь многие развитые страны поставили своей целью до 2050 года свести к минимуму или нулю углеродный след. В этом году в Украине была принята государственная программа по установке солнечных панелей и батарей для аккумулирования энергии. Она предусматривает таможенные льготы на ввоз оборудования и упрощение их установки для граждан. Также планируется установить СЭС мощностью от 7 до 100 кВт в учреждениях первичной медицинской помощи. Наше государство стремится диверсифицировать электрогенерацию, чтобы усложнить РФ попытки вывести из строя нашу электроинфраструктуру. И СЭС вполне может стать ключевым элементом этой стратегии.