Проблемы традиционных источников энергии
Сжигание ископаемых топлив – твердых, жидких, газообразных (уголи/торф, нефть, природный газ) – простой, даже элементарный, способ получения так необходимой для современной цивилизации энергии. Этот метод обладает определёнными преимуществами перед другими источниками энергии, что дало устойчивое развитие сопряжённых технологий и развитие современной технологической культуры на протяжении длительного периода времени (хотя, в сравнении с историей человечества, – что такое чуть больше сотни лет?) Однако, как часто случается, переизбыток чего-то хорошего приводит к возникновению зависимости.
В современном мире наблюдается картина, когда мировая промышленность буквально «присосалась» к Земле, высасывая все больше и больше нефти и газа для все возрастающего аппетита нефтезависимых производств (и продуктов), неограниченное потребление которых ранее казалось ничем не лимитируемым. Однако, по некоторым оценкам, запасы нефтяного сырья резко снижаются и могут достичь небезопасно низкого (для созданной цивилизации с ее нефтезависимой инфраструктурой) уровня, когда произойдет резкий обвал (крах) технической цивилизации и технологий, основанных на монопольном источнике энергии — нефти. По некоторым оценкам — время тому от 30 до 50 лет. Более того, по заключению большинства ученых, загрязнение атмосферы диоксидом углерода (углекислым газом), которое сопровождает процесс сжигания ископаемых топлив, настолько масштабен, что становится угрожающим фактором для жизни на планете.
Потенциал солнечной энергетики
При этом, человек уже имеет под боком колоссальный термоядерный источник, благодаря энергии которого существует жизнь на Земле – Солнце. Солнце – по истине безграничный источник энергии (см. инфографику), который с лихвой перекрывает энергетические нужды человечества.
Расшифровка инфографики (потенциальные возможности разных источников энергии):
1 — годовое излучение Солнца, доступное человечеству, в 25 раз превышает энергетический запас всего угля на планете – 23 000 ТВт ежегодно;
2 — уголь — глобальный запас 900 Твт;
3 — уран, глобальный запас от 90 до 300 ТВт, по разным оценкам;
4 — нефть — всего 240 ТВт;
5 — природный газ — всего 215 ТВт;
6 — энергия ветра — 25 -700 ТВт ежегодно;
7 — энергия океана (течения) — 3-4 ТВт ежегодно;
8 — биомасса — 2-6 ТВт ежегодно;
9 — гидроэнергетика — 3-4 ТВт ежегодно;
10 — геотермальная энергетика — 0,3-2 ТВт ежегодно;
11 — энергия приливов и отливов — 0,3 ТВт ежегодно.
Кроме того, энергия Солнца – бесплатна. Его можно назвать безусловным источником энергии – оно светит всем и почти всегда – невзирая на социальный статус, вероисповедание или иные “отличия”. Вся энергия, благодаря которой возникла и поддерживается жизнь на Земле, – это энергия, которую дает “звезда по имени Солнце”. За исключением ядерной, геотермальной и энергии приливов/отливов – все источники энергии, используемые человечеством (традиционные ли, альтернативные ли), – все имеют одно происхождение – Солнце. Запасы угля, торфа, древесины, нефти и газа – суть энергия Солнца, накопленная растениями в результате фотосинтеза; энергия рек и водопадов, ветра, волн, морских течений – образуется как результат неравномерного нагрева Земной поверхности.
История солнечной энергетики
Естественно, что с незапамятных времен, люди старались использовать энергию солнечных лучей для своих нужд, в том числе – для обогрева жилища. Ксенофон, ученик Сократа, записал его работу Memorabilia, которая представляет собой диалог Сократа с учениками. Среди прочего, великий философ учит своих учеников принципам пассивной солнечной архитектуры: “Итак, в домах с южной ориентацией, солнечные лучи проникают в дом через портик, благодаря чему летом солнце прикрыто крышей, а мы находимся в тени.” Археологические исследования подтверждают, что между 500 и 200 г. д.н.э. все городские здания Эллады строились согласно описанию Сократа.
В 1760-х годах Ораст де Соссюр (Horace de Saussure) обратил внимание, что “комната, карета или иное помещение нагреваются сильнее, если солнечные лучи попадают в него через стекло”. Им был сконструирован герметичный ящик, верхняя крышка которого была выполнена из стекла, а другие – теплоизолированы. Выкрашенные изнутри, в поглощающий солнечные лучи черный цвет, стенки ящика нагревались от солнечных лучей и температура внутри повышалась (рис. 2).
Данный эффект объясняется тем, что обычное стекло практически полностью прозрачно для солнечного света (в т.ч. ультрафиолетовой части) и в полной мере пропускает его внутрь. Внутри солнечный свет поглощается непрозрачными поверхностями стенок ящика, вследствие чего происходит их нагрев. Нагревшиеся таким образом стенки ящика сами начинают излучать избыточную тепловую энергию. Однако, как известно, тепло излучается в инфракрасном диапазоне, для которого стекло практически непрозрачно – таким образом солнечная энергия попадает в тепловую ловушку. Внутри ящика образуется так называемый парниковый эффект – название позаимствованное у парника (теплицы) – первых архитектурных строений, использовавших солнечную энергию для нагрева, с целью увеличения вегетативного периода у растений. Кстати сказать, именно солнечный ящик деСоссюра явился наглядным примером физической модели парникового эффекта атмосферы Земли.
Кроме прочего, О. ДеСосcюр известен благодаря своей альпинистской деятельности. Именно он установил, что Монблан является наивысшей точкой Европы. Чтобы иметь возможность приготовить или разогреть пищу в походе, О. ДеСоссюр начал использовать для этих целей изобретенный солнечный ящик. Таким образом была сконструирована первая в Европе переносная солнечная печь, случилось это в 1767 году. Варьируя конструкцией печи, деСоссюр достиг наивысшей температуры 230 °F (110 градусов по Цельсию) в ящике имеющем тройное остекление. При этом, исследователем было установлено, что достигаемая максимальная температура не слишком изменяется при варьировании высоты над уровнем моря и температуры окружающего воздуха, а значит определяется исключительно количеством солнечной энергии, которая поступает в ящик.
Первые научные шаги в понимании солнечной энергии начались в 19 веке. В 1839 г. французский физик Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект, на основе которого работают современные солнечные панели. В 1883 году американский изобретатель Чарльз Фриттс создал первую солнечную батарею с использованием селена.
20 век стал периодом больших достижений для солнечной энергетики. В 1954 году ученые из Bell Laboratories создали первый современный кремниевый фотоэлемент, который имел значительно более высокую эффективность. После этого началась эра коммерческого использования солнечных панелей. Сначала их использовали для космических спутников, но со временем солнечные панели стали доступны и для бытовых нужд.
В 21 веке солнечная энергетика набирает обороты, особенно с развитием технологий и снижением стоимости оборудования. Все большее число стран переходят на возобновляемые источники энергии, а солнечная энергетика становится важной частью борьбы с изменением климата.
Сегодня солнечная энергетика является одним из самых перспективных направлений в глобальной энергетике, что позволяет странам достигать энергетической независимости и уменьшать выбросы парниковых газов.
