Солнечная электроэнергетика. История и перспективы.
Кто изобрел солнечные панели?
В солнечной энергии нет ничего нового. Люди использовали солнечную энергию еще в VII веке до нашей эры. В самом примитивном состоянии энергия солнца почиталась и использовалась почти все время, пока человек ходил по Земле.
Самые ранние применения солнечной энергии включали фокусирование солнечной энергии через увеличительное стекло для разжигания огня для приготовления пищи.
К III веку до нашей эры греки и римляне отражали солнечный свет от «горящих зеркал», чтобы зажечь священные факелы для религиозных церемоний.
Солярии были изобретены в древние времена, чтобы улавливать солнечную энергию для ее естественного тепла. Эти комнаты, обычно выходящие на юг, улавливают и концентрируют солнечный свет от знаменитых римских бань до индейских бань, и до сих пор популярны во многих современных домах.
Технология солнечных батарей
В 1839 году французский физик Эдмон Беккерель обнаружил фотоэлектрический эффект, экспериментируя с ячейкой, сделанной из металлических электродов в проводящем растворе. Он отметил, что ячейка вырабатывала больше электричества при воздействии света.
Позже в 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил, что селен может действовать как фотопроводник.
Всего три года спустя, в 1876 году, Уильям Гриллс Адамс и Ричард Эванс Дэй применили к селену фотоэлектрический принцип, открытый Беккерелем. Они записали, что на самом деле он может вырабатывать электричество при воздействии света.
Спустя почти 50 лет после открытия фотоэлектрического эффекта, в 1883 году американский изобретатель Чарльз Фриц создал первый работающий селеновый солнечный элемент. Хотя кремний используется в элементах для современных солнечных панелей, этот элемент был главным предшественником технологии, используемой сегодня.
В некотором смысле, многие физики сыграли свою роль в изобретении солнечных батарей. Беккерелю приписывают раскрытие потенциала фотоэлектрического эффекта, а Фрицу - создание предка всех солнечных элементов.
Осведомленность и производство солнечных технологий
Альберт Эйнштейн сыграл свою роль в привлечении внимания мира к солнечной энергии и ее потенциалу. В 1905 году он опубликовал статью о фотоэлектрическом эффекте и о том, как свет переносит энергию. Это вызвало больше внимания и признание важности использования солнечной энергии в более широком масштабе.
Большой скачок в движении к солнечным элементам, подобным тем, которые используются сегодня в панелях, стал результатом работы Bell Labs в 1954 году.
Три ученых, Дэрил Чапин, Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон, создали более практичный солнечный элемент с использованием кремния.
Преимущества кремния - лучшая эффективность и широкая доступность как природного ресурса.
По мере развития космической эры солнечные батареи использовались для питания различных частей космических кораблей в конце 1950-х и 1960-х годах.
Первым был спутник Vanguard I в 1958 году, за ним последовали Vanguard II, Explorer III и Спутник-3.
В 1964 году НАСА запустило спутник Nimbus, который работал полностью на фотоэлектрической панели солнечных батарей мощностью 470 Вт. Уже скоро потенциал солнечной энергии переместится из космоса в дома и предприятия на планете Земля.
Использование солнечных панелей как жизнеспособная альтернатива другим способам получения энергии
В 1970-х годах нехватка нефти привела к осознанию зависимости США от иностранных энергоресурсов. Это было время высокой инфляции, когда американцы были стеснены экономически, а нехватка предметов первой необходимости делала необходимость дальнейших инноваций очевидной.
Именно в это время президент Джимми Картер установил солнечные батареи на крыше Белого дома. Это было сделано для того, чтобы шире распространить информацию о возможностях солнечной энергии.
Стоимость солнечных батарей постепенно уменьшалась, а эффективность улучшались. Поскольку солнечные панели созданы, чтобы быть более эффективными и дешевыми, солнечные батареи стали реальным способом для обычных людей вырабатывать электроэнергию для своих домов и предприятий.
Возможно, наиболее значительный скачок вперед в солнечной энергии, как в эффективности, так и в цене, произошел за последние несколько лет.
Эффективность и цена солнечных панелей
Усовершенствования солнечных элементов, основанные на первоначальном открытии Беккерелем фотоэлектрического эффекта, привели к тому, что первые солнечные панели достигли эффективности около 1%.
Кремниевые солнечные элементы Bell Labs 1954 года работали с КПД около 4%, а позже достигли КПД 11%. Это был значительный рост, который позволил впервые в истории запитать электрическое устройство на несколько часов.
Затем в 1959 году Hoffman Electronics достигла 10-процентной эффективности. Вскоре после этого они побили свой собственный рекорд с эффективностью 14 процентов в 1960 году.
Эти повышения эффективности помогли продвинуть солнечные батареи в космическую программу. Использование солнечных панелей в космической программе на протяжении 1960-х годов увеличивало производство, и постепенно цена снижалась.
Exxon профинансировала исследование доктора Эллиота Бермана в 1970-х годах, в результате которого был получен менее дорогой солнечный элемент и снизилась стоимость солнечной панели.
В настоящее время солнечные панели для дома имеют средний КПД от 15 до 18 процентов.
Учитывая долгую историю солнечных технологий, примечательно, что настоящая перемена в пользу солнечной энергии произошла в последние несколько десятилетий. С 1980-х годов стоимость солнечных панелей снижалась в среднем на 10 процентов в год.
Эти улучшения в солнечной технологии и снижение затрат стали возможными благодаря ученым и инженерам, которые посвятили себя солнечной энергии как ведущему источнику чистой и недорогой электроэнергии для всех.
Несмотря на более быстрый рост возобновляемых источников энергии и «структурный» спад в отношении угля, Международное энергетическое агентство(МЭА) в своем прогнозе World Energy Outlook 2020 заявляет, что пока слишком рано объявлять о пике использования нефти в мире, если не будет более жестких мер по борьбе с изменением климата.
На приведенной ниже диаграмме показано, как изменяется использование различных источников энергии по каждой из этих траекторий в течение десятилетия до 2030 года (правые столбцы) относительно сегодняшнего спроса (слева).
МЭА заявляет, что новые солнечные проекты для коммунальных предприятий сейчас стоят 30-60 долларов за МВтч в Европе и США и всего 20-40 долларов за МВтч в Китае и Индии, где существуют «механизмы поддержки доходов», такие как гарантированные цены.
Эти затраты «полностью ниже диапазона LCOE [приведенных затрат] для новых угольных электростанций» и «находятся в том же диапазоне», что и эксплуатационные расходы существующих угольных электростанций в Китае и Индии, сообщает МЭА.
МЭА заявляет, что более низкие затраты и более быстрый рост солнечной энергии, наблюдаемые в прогнозах на этот год, означают, что с 2020 года будет происходить рекордное добавление новых солнечных мощностей каждый год.