От крыши Нью-Йорка в 1800-х годах до первого полета в космос. От похищений и взяточничества до изменившей мир ошибки с чернильницей… Солнечные панели — одно из величайших изобретений человечества, и их история интереснее, чем вы думали.
Кратчайшая история солнечной энергетики:
Впервые фотоэлектрическая солнечная панель была установлена в 1884 году, когда Чарльз Фриттс собрал массив размером с бильярдный стол на деревянной раме на крыше в Нью-Йорке. Фриттс использовал селен, покрытый тонкой пленкой золота, достигнув эффективности менее 1% в преобразовании солнечного света в электричество, чтобы создать ток, который он описал как «непрерывный, постоянный и значительной силы».
Проект Фриттса не продвинулся намного дальше — золото и селен не были дешевыми, распространенными материалами, которые, как правило, приводят к созданию коммерчески конкурентоспособных продуктов.
Первая в истории солнечная батарея, установленная Чарльзом Фриттсом на крыше в Нью-Йорке в 1884 году. Фото: Smithsonian Magazine
Прошло 20 лет, и появился канадский «серийный изобретатель» Джордж Коув, эрудит, который подал многочисленные патенты на конструкцию пропеллера, сбор приливной энергии, генераторы переменного тока, электрические часы и наручные часы. Основываясь на работе Фриттса, Коув разработал «солнечный электрический генератор», используя полупроводниковый материал с шириной запрещенной зоны, чрезвычайно близкой к кремнию — основному материалу, используемому в современных массовых солнечных панелях — и батарею для хранения и выдачи энергии.
Газеты того времени сообщали, что строительство этого генератора стоило около 20 долларов США (эквивалент 1909 года около 660 долларов США по сегодняшним деньгам), и он мог бы обеспечить все потребности в энергии дома начала 1900-х годов в течение примерно 10 лет, избавляя домовладельцев от необходимости подключаться к быстро развивающейся электросети. Его демонстрация 1909 года в Галифаксе, Новая Шотландия, привлекла значительный интерес инвесторов. К тому времени Коув открыл мастерскую в Нью-Йорке и привлек 5 миллионов долларов.
Однако его история приняла странный оборот, когда он заявил, что его похитили и предложили 25 000 долларов плюс дом, чтобы он бросил работу — не возмутительное утверждение для того времени, по словам исследователя из Оксфорда доктора Сугандхи Шривастава, который отмечает, что «в то время Томас Эдисон (из Edison Electric) и Дж. Д. Рокфеллер (основатель Standard Oil) были известны тем, что применяли различные пагубные тактики, чтобы вытеснить конкурентов из бизнеса».
Коув утверждал, что отказался от предложения, и впоследствии был освобожден в зоопарке Бронкса. Критики, однако, обвинили его в инсценировке инцидента как части мошенничества или для привлечения внимания СМИ к своему бизнесу. Как бы то ни было, бизнес Коува быстро пошел на спад и так и не восстановился — а рост добычи угля и нефти в 1911 году вскоре затмил солнечную технологию, фактически затормозив солнечные инновации на большую часть 40 лет.
«Обструкционизм, — пишет Шривастав, — был ключевым препятствием для развития и внедрения возобновляемых источников энергии в прошлом и продолжает оставаться таковым сегодня».
Солнечные фермы не всегда выглядят красиво. Мы бы предпочли видеть их на крышах или над парковками, чем закрывать природу, но это все равно лучше, чем строить здесь угольную электростанциюUnsplash
Хотя в последующие десятилетия вокруг солнечной энергии происходило очень мало событий, разрабатывались другие ключевые технологии, которые впоследствии легли в основу ее возрождения. В 1918 году польский химик Ян Чохральский непреднамеренно открыл метод выращивания монокристаллов (монокристаллов), используемых в полупроводниковых пластинах, теперь известный как метод Чохральского. Он по-прежнему является основой 90% всей электроники сегодня.
Открытие произошло, когда Чохральский случайно окунул перо в тигель с расплавленным оловом вместо чернильницы (кажется, это была вполне разумная ошибка), что привело к моменту «эврика!», когда он увидел затвердевающую нить олова, свисающую с его пера, и позже убедился, что это была монокристаллическая структура.
Солнечная энергия томилась в тени, если вы простите за каламбур, вплоть до недавнего времени, в 1954 году, когда ученые Джеральд Пирсон, Кэлвин Фуллер и Дэрил Чапин из Bell Labs – как и в Bell Telephone Company – не разработали первый практичный кремниевый солнечный элемент. КПД преобразования составляет 6 %, что значительно лучше, чем у ячеек с КПД менее 1 % в прошлом столетии. В их прорыве использовался метод кристаллического кремния, впервые предложенный Чохральским.
Интересно отметить, что примерно в то же время лаборатория Белла изобрела мазер. В свое время Bell Labs во многом напоминала сегодняшнюю Google X Labs — рассадник инноваций и изобретений, меняющих мир.
Первое крупное применение солнечных батарей произошло в 1958 году с запуском спутника Vanguard I, что сделало его первым объектом в космосе, работающим на солнечной энергии. Vanguard I, который немного меньше шара для боулинга, все еще вращается вокруг Земли сегодня, хотя он передал свои последние байты данных в 1964 году после шестилетнего непрерывного полета. Солнечные батареи на борту имели решающее значение, поскольку одни батареи не могли поддерживать его работу так долго.
Хотя технологические прорывы такого масштаба были редки с 1960-х по 1980-е годы, внедрение солнечных панелей медленно распространялось, особенно в отдаленных местах, где линии электропередач были непрактичны или слишком дороги. Например, радио- и телебашни, метеостанции, наземные спутниковые станции, ирригационные насосы, морские нефтяные платформы, маяки и буи, все начали полагаться на солнечную энергию. А в развивающихся странах солнечные технологии принесли электричество в отдаленные деревни, обеспечив такие базовые услуги, как освещение и охлаждение вакцин.
Солнечные панели в развивающихся странах или просто в местах, где стоимость прокладки линий электропередач слишком высокаUnsplash
В 1989 году были разработаны многопереходные ячейки. Эти ячейки представляют собой очень тонкие слои различных материалов, которые позволяют улавливать больше энергии солнца, что делает их самыми эффективными панелями на сегодняшний день. К 2006 году исследователи достигли эффективности 46% с помощью многопереходных ячеек, что почти вдвое превышает эффективность лучших традиционных кристаллических кремниевых ячеек. Однако эти ячейки остаются непомерно дорогими и в основном используются в специализированных аэрокосмических приложениях, таких как Международная космическая станция, которая может генерировать до ошеломляющих 120 кВт с помощью своих солнечных батарей.
Перовскит — материал, недавно попавший в заголовки газет из-за своего фотоэлектрического потенциала — привел к дальнейшему повышению эффективности. Благодаря своей уникальной кристаллической структуре перовскит позволил тандемным ячейкам (объединяющим слои кремния и перовскита) достичь эффективности более 30%.
Двусторонние солнечные панели также приобрели популярность за последнее десятилетие. Способные улавливать солнечный свет с обеих сторон, они в основном используются на солнечных электростанциях коммунального масштаба (крупные солнечные электростанции, предназначенные для подачи энергии в сеть), подвешенные над отражающими поверхностями для максимального поглощения. Лично я установил двусторонние панели и у себя дома, и в автофургоне из-за их эффективности.
Солнечные панели сегодня рассчитаны на срок службы 25–30 лет, прежде чем их производительность начнет снижаться, но даже в этом случае они теряют всего около одного процента своей генерирующей мощности в год сверх заявленного срока службы.
Портативная и гибкая солнечная технология теперь позволяет использовать этот дешевый и надежный источник энергии во всех видах новых приложений.
Легко развертываемые портативные солнечные панели для подзарядки ваших электронных устройств во время увлекательного приключения Unsplash
Однако одним из величайших прорывов в области солнечных технологий стало создание аккумуляторных батарей.
Из-за досадного ограничения, присущего солнечным батареям, а именно возможности вырабатывать электроэнергию только часть дня, хранение избыточной энергии имело решающее значение для превращения солнечной энергии в надежный круглосуточный источник энергии, особенно в масштабах муниципальной электросети.
По мере развития различных технологий аккумуляторов и снижения затрат солнечная энергия становится все более жизнеспособной для обеспечения стабильной и надежной энергии, даже ночью, с использованием групп аккумуляторов, заряжаемых солнцем. Литий-ионные аккумуляторы проложили путь, и более новые технологии, такие как литий-железо-фосфат (LiFePO4), железо-воздух и более экзотические формы механического хранения энергии, продолжают улучшать плотность энергии и экономическую эффективность.
Интересно наблюдать, как эти технологии развиваются и находят свое место в будущей структуре чистой энергетики: некоторые из них призваны справляться с кратковременными, высокоскоростными скачками спроса на электроэнергию, другие нацелены на долгосрочное, постепенное укрепление сетей, чтобы гарантировать их стабильность, поскольку среднесуточная выработка солнечной энергии падает зимой и растет летом.
Несмотря на шаткий старт в 1900-х годах, солнечная энергия теперь является гигантом и одной из самых популярных форм энергии, поскольку мир сосредоточен на гонке за нулевые выбросы углерода к 2050 году. Солнечная энергия коммунального класса в настоящее время является второй по дешевизне формой электроэнергии на рынке, уступая только энергии наземного ветра, а с точки зрения уравновешенной стоимости энергии (LCoE) она примерно в два раза дешевле угольной энергии.
Из первой штуковины Чарльза Фриттса на крыше она, возможно, стала одним из важнейших нововведений человечества — законно надежной, экономически жизнеспособной формой чистой энергии, способной масштабироваться достаточно быстро, чтобы поспевать за постоянно растущим аппетитом человечества к электричеству. Это замечательная история, и мы продолжаем наблюдать, как она развивается в реальном времени.
