Викрадення вченого, доленосна помилка і дебют на орбіті – як створювалась сонячна енергетика
Згідно з прогнозами, вже до середини століття на частку сонячної енергетики припадатиме до чверті всієї глобальної генерації. В рамках "зеленого переходу" уряди багатьох країн задумались про масштабне будівництво СЕС, і вже мало кого дивує наявність сонячних панелей в домогосподарствах.
Шлях до статусу одного з найперспективніших джерел електрогенерації був довгим (цілих 140 років) і непростим. Сонячні панелі – одне з найважливіших досягнень науки, а історія їх становлення значно цікавіша, ніж здається. Liga.Techрозповідає про деякі найдраматичніші повороти.
Селеновий млинець і сонячний генератор
Спроби перетворювати сонячне випромінення на електроенергію почались ще до того, як остання стала буденністю в домогосподарствах розвинених країн. Перша фотовольтажна панель була розгорнута в 1884 році на даху одного з нью-йоркських будинків. Вона складалась з дерев’яної рами розміром з більярдний стіл та селену, вкритого зверху тонким шаром золота.
Винахід американського науковця Чарльза Фріттса мав коефіцієнт ефективності перетворення сонячної енергії в електричну менше ніж 1%. Хоча отримуваний струм описувався як "стабільний, безперервний і сильний", подальшого розвитку винахід не отримав. Завадили перепони суто економічного характеру – золото і селен не належать до дешевих чи поширених матеріалів.
Через 20 років розвинути ідеї Фріттса взявся його канадський колега Джордж Коув.
Останнього часто називають "серійним винахідником" через велику кількість зареєстрованих патентів, серед яких конструкції гвинтів, пристрій для генерації електроенергії з припливів, генератори змінного струму і електричний годинник.
Взявши за основу праці Фріттса, він розробив концепт "сонячного електричного генератора". Для його створення Коув користувався напівпровідниковим матеріалом, чиї характеристики були дуже близькими до кремнію, з якого зараз виготовляється більшість сонячних панелей. Також пристрій був обладнаний батареєю для накопичення електроенергії.
Газети початку ХХ століття розповідали, що генератор обійдеться в $20 (приблизно $660 за нинішнім курсом) і зможе задовольняти всі потреби середнього тогочасного домогосподарства протягом 10 років. Перша демонстрація винаходу Коува в 1909 році викликала справжній фурор серед інвесторів: канадцю вдалось залучити $5 млн і відкрити майстерню в Нью-Йорку.
Здавалося б, справа була за малим – доробити пристрій, запустити в серію й найняти бухгалтера, щоб підраховувати прибутки. Проте історія з сонячним генератором отримала химерний поворот вже того самого року: 19 жовтня преса повідомила про викрадення Коува. Як він сам розповів пізніше, викрадачі запропонували йому $25 000 і будинок в обмін на відмову від подальшого розробляння пристрою. Коув відмовився і згодом був випущений в зоопарку округу Бронкс.
Стосовно того, що це взагалі таке було існують дві версії. Згідно з першою, Коува дійсно викрали, адже його винахід міг зіпсувати справи дуже багатьом компаніям. Зокрема, Edison Electric, що саме розвивала мережу електростанцій, чи Standard Oil Джона Рокфеллера.
У ті часи великі бізнес-імперії не цурались відверто брудних методів вибиття конкурентів: наприклад, автовиробники скуповували трамвайні депо і закривали їх, щоб збільшити попит на свою продукцію.
Згідно з другою версією, Коув пішов на інсценування, щоб прикрити поганий стан справ у своїй компанії. Або в такий спосіб канадець хотів привернути увагу ЗМІ й отримати безкоштовну рекламу. Хоча останнє припущення викликає сумнів, адже "сонячний генератор" й так встиг наробити чимало галасу. Сам же Коув звинувачував в організації свого викрадення колишнього інвестора Фредеріка Хуестеса.
В будь-якому разі після історії з викраденням бізнес Коува швидко занепав й вже не відновився. В далі почався бум нафтової і вугільної промисловості й електростанцій на основі викопного палива. На наступні чотири десятиліття сонячна енергетика впала "в сплячку" – жодних великих комерційних проєктів, пов’язаних з нею, не з'являлося. А сучасні автори жанру альтернативної історії отримали цікавий сюжет – "а що якби у Джорджа Коува" все вийшло.
Польський кристалічний прорив
Втім, не можна сказати, що вищезгаданий період став повністю втраченим для сонячної енергетики: протягом нього відбулась низка наукових відкриттів, які дозволили цій сфері гучно про себе заявити в середині століття.
У 1918 році польський хімік Ян Чохральський відкрив метод вирощування монокристалів, який згодом назвали на його честь. Він став основою для 90% сучасної електроніки загалом і активно використовується у виробництві напівпровідникових панелей.
Як це досить часто буває з важливими технологічними проривами, метод Чохральського був відкритий завдяки сліпому випадку. Хімік замість чорнильниці занурив своє перо в тигель з розплавленим оловом. Спостерігаючи за твердіючою ниткою олова, Чохральський відчув той самий "еврика-момент". Він замінив перо на мікроскопічний шматок металу й під час експериментів зміг створити монокристали діаметром в 1 мм і довжиною до 150 см.
Закладеним Чохральским фундаментом скористались в 1954 році, коли сонячна енергетика знову нагадала про себе. Американські вчені Джеральд Пірсон, Келвін Фуллер і Деріл Чепін з Bell Labs розробили перший кремнієвий фотоелемент. Він мав коефіцієнт перетворення сонячної енергії в електричну на рівні 6%. Згідно з розрахунками дослідників, в ідеальних умовах цей показник міг сягати 23%, однак отриманий за фактом результат був значно ліпше – менш як 1% в експериментах Фріттса століттям раніше.
Космос забирає найкраще
Перше значне практичне застосування сонячних панелей сталося вже через чотири роки: їх помістили на супутник Vanguard 1. Отже, він став першим об’єктом у відкритому космосі, який живився сонячною електроенергією.
За своїми розмірами "Авангард 1" був трохи меншим за кулю для боулінгу. Свій останній пакет даних він передав ще у 1964 році, але і далі обертається довкола Землі. Власне, саме сонячні батареї дозволили йому стабільно працювати цілих 6 років – одних лише батарей супутника не вистачило б на так довго.
Середина минулого століття стала періодом буму атомної енергетики: в ній бачили антидот до залежності від викопного палива, а також джерело великої кількості екологічної електроенергії. З усім тим, сонячні панелі поступово нарощували свою присутність на ринку. Особливим попитом вони користувались у місцях, де проведення ліній електропередач було неможливим чи надто дорогим.
Наприклад, на віддалених радіо- чи телевежах, метеостанціях, наземних центрах керування супутниками, морських платформах, маяках, буях тощо. В країнах, що тільки розвиваються, ця технологія в принципі зробила можливим освітлення чи роботу холодильників у віддалених селах.
У 1989 році були винайдені багатоперехідні фотоелементи, що використовують дуже тонкі шари різних матеріалів, щоб забезпечувати найкращий коефіцієнт перетворення сонячної енергії. До 2006 року вдалось досягти показника ефективності в 46%, що майже вдвічі перевершує результативність найкращих зразків кремнієвих панелей.
За це довелось розплачуватися високою ціною, через що подібними елементами користуються лише відомства з дуже великими бюджетами. Наприклад, аерокосмічні агентства. Так, встановлені на МКС панелі з такими елементами можуть генерувати до 120 кВт. Цього буде достатньо, щоб повністю зарядити типовий сучасний електромобіль.
Далі більше?
Не так давно в центрі уваги медіа опинився мінерал перовськіт, структура якого забезпечує йому колосальний потенціал для використання у фотоелементах. Шари перовськіту в тандемі з кремнієм забезпечують ефективність до 30%.
Протягом останнього десятиліття набули популярності двосторонні сонячні панелі, які здатні вловлювати сонячне світло з обох боків. Здебільшого їх використовують на великих СЕС загального користування, що підключені до енергомережі. Зазвичай їх підвішують над відбиваючими поверхнями для максимального поглинання.
Більшість сучасних сонячних панелей розраховані на 25-30 років експлуатації. Проте навіть після закінчення цього терміну вони не ламаються, а лише поступово починають втрачати свою генерувальну потужність. Зараз СЕС – це другий за обсягами генерації "зелений" різновид електроенергії на ринку, який поступається лише вітровим електростанціям на узбережжях.
Довгий час головною вадою сонячних панелей було те, що вони могли повноцінно працювати лише в світлу частину доби. Тут їм на допомогу пришли літій-іонні батареї та інші рішення в акумулюванні енергії, що дозволяють збільшити об’сяги зберігання та зекономити.
Найімовірніше, сонячну електроенергію очікують нові прориви, адже багато розвинених країн поставили собі за мету до 2050 року звести до мінімуму чи нуля вуглецевий слід. Цього року в Україні була ухвалена державна програма встановлення сонячних панелей і батарей для акумулювання енергії. Вона передбачає митні пільги на ввезення устаткування та спрощення їх встановлення для громадян.
Також планується встановити СЕС потужністю від 7 до 100 кВт в закладах первинної медичної допомоги. Наша держава прагне диверсифікувати електрогенерацію, щоб ускладнити РФ спроби вивести з ладу нашу електроінфраструктуру. І СЕС цілком можуть стати ключовим елементом цієї стратегії.