Проблеми традиційних джерел енергії
Спалювання викопних палив – твердих, рідких, газоподібних (вугілля/торф, нафта, природний газ) – простий, навіть елементарний спосіб отримання такої необхідної для сучасної цивілізації енергії. Цей метод має певні переваги перед іншими джерелами енергії, що дало сталий розвиток сполучених технологій та розвиток сучасної технологічної культури протягом тривалого періоду часу (хоча, в порівнянні з історією людства, – що таке трохи більше сотні років?). Проте, як часто трапляється, надлишок чогось хорошого призводить до виникнення залежності.
У сучасному світі спостерігається картина, коли світова промисловість буквально «присмокталася» до Землі, висмоктуючи все більше і більше нафти і газу для дедалі більшого апетиту нафтозалежних виробництв (і продуктів), необмежене споживання яких раніше здавалося нічим не лімітованим. Однак, за деякими оцінками, запаси нафтової сировини різко знижуються і можуть досягти небезпечно низького (для створеної цивілізації з її нафтозалежною інфраструктурою) рівня, коли відбудеться різкий обвал (крах) технічної цивілізації та технологій, що ґрунтуються на монопольному джерелі енергії — нафті. За деякими оцінками — час тому від 30 до 50 років. Більше того, на думку більшості вчених, забруднення атмосфери діоксидом вуглецю (вуглекислим газом), яке супроводжує процес спалювання викопних палив, настільки масштабний, що стає загрозливим фактором для життя на планеті.
Потеціал сонячної енергетики
При цьому людина вже має під боком колосальне термоядерне джерело, завдяки енергії якого існує життя на Землі – Сонце. Сонце – по-справжньому безмежне джерело енергії (див. інфографіку), яке з лишком перекриває енергетичні потреби людства.
Розшифровка інфографіки (потенційні можливості різних джерел енергії):
1 — річне випромінювання Сонця, доступне людству, в 25 разів перевищує енергетичний запас всього вугілля на планеті – 23 000 ТВт щорічно;
2 — вугілля – глобальний запас 900 ТВт;
3 — уран, глобальний запас від 90 до 300 ТВт, за різними оцінками;
4 — нафта – всього 240 ТВт;
5 — природний газ – всього 215 ТВт;
6 — енергія вітру – 25-700 ТВт щорічно;
7 — енергія океану, океанських течій – 3-4 ТВт щорічно;
8 — біомаса – 2-6 ТВт щорічно;
9 — гідроенергетика – 3-4 ТВт щорічно;
10 — геотермальна енергетика – 0,3-2 ТВт щорічно;
11 — енергія припливів та відливів – 0,3 ТВт щорічно.
Крім того, енергія Сонця – безкоштовна. Його можна назвати безумовним джерелом енергії – воно світить усім і майже завжди – незважаючи на соціальний статус, віросповідання чи інші “відмінності”. Вся енергія, завдяки якій виникло і підтримується життя Землі, – це енергія, яку дає “зірка під назвою Сонце”. За винятком ядерної, геотермальної та енергії припливів/відливів – всі джерела енергії, що використовуються людством (чи традиційні, чи альтернативні), – всі мають одне походження – Сонце. Запаси вугілля, торфу, деревини, нафти та газу – суть енергія Сонця, накопичена рослинами внаслідок фотосинтезу; енергія річок та водоспадів, вітру, хвиль, морських течій – утворюється як результат нерівномірного нагріву Земної поверхні.
Історія сонячної енергетики
Природно, що з давніх-давен, люди намагалися використовувати енергію сонячних променів для своїх потреб, у тому числі – для обігріву житла. Ксенофон, учень Сократа, записав його роботу Memorabilia, яка є діалогом Сократа з учнями. Серед іншого, великий філософ вчить своїх учнів принципам пасивної сонячної архітектури: “Отже, в будинках з південною орієнтацією, сонячні промені проникають у будинок через портик, завдяки чому влітку сонце прикрите дахом, а ми перебуваємо в тіні.” Археологічні дослідження підтверджують, що між 500 та 200 р. д.н.е. всі міські будинки Еллади будувалися згідно з описом Сократа.
У 1760-х роках Орас де Соссюр (Horace de Saussure) звернув увагу, що “кімната, карета чи інше приміщення нагріваються сильніше, якщо сонячні промені потрапляють у нього через скло”. Ним було сконструйовано герметичний ящик, верхня кришка якого була виконана зі скла, інші – теплоізольовані. Пофарбовані зсередини, в поглинаючий сонячні промені чорний колір, стінки ящика нагрівалися від сонячних променів і температура всередині підвищувалася (мал. 2).
Цей ефект пояснюється тим, що звичайне скло практично повністю прозоре для сонячного світла (в т.ч. ультрафіолетової частини) і повністю пропускає його всередину. Усередині сонячне світло поглинається непрозорими поверхнями стінок скриньки, внаслідок чого відбувається їхнє нагрівання. Нагріті таким чином стінки скриньки самі починають випромінювати надмірну теплову енергію. Однак, як відомо, тепло випромінюється в інфрачервоному діапазоні, для якого скло практично непрозоре – таким чином сонячна енергія потрапляє в теплову пастку. Усередині скриньки утворюється так званий парниковий ефект – назва запозичена у парника (теплиці) – перших архітектурних будівель, що використовували сонячну енергію для нагрівання, з метою збільшення вегетативного періоду рослин. До речі, саме сонячна скринька де Соссюра стала наочним прикладом фізичної моделі парникового ефекту атмосфери Землі.
Крім іншого, де Сосюр відомий завдяки своїй альпіністській діяльності. Саме він встановив, що Монблан є найвищою точкою Європи. Щоб мати можливість приготувати або розігріти їжу в поході, О. де Соссюр почав використовувати для цього винайдену сонячну скриньку. Таким чином було сконструйовано першу в Європі переносну сонячну піч, трапилося це в 1767 році. Варіюючи конструкцією печі, деСоссюр досяг найвищої температури 230 °F (110 градусів за Цельсієм) в скринці, що має потрійне скління. При цьому, дослідником було встановлено, що максимальна температура, що досягається, не надто змінюється при варіюванні висоти над рівнем моря і температури навколишнього повітря, а значить визначається виключно кількістю сонячної енергії, яка надходить в скриньку.
Перші наукові кроки в розумінні сонячної енергії почалися у 19 столітті. У 1839 році французький фізик Едмон Беккерель відкрив фотогальванічний ефект, на основі якого працюють сучасні сонячні панелі. У 1883 році американський винахідник Чарльз Фріттс створив першу сонячну батарею з використанням селену.
20 століття стало періодом великих досягнень для сонячної енергетики. У 1954 році вчені з Bell Laboratories створили перший сучасний кремнієвий фотоелемент, який мав значно вищу ефективність. Після цього почалася ера комерційного використання сонячних панелей. Спочатку їх використовували для космічних супутників, але з часом сонячні панелі стали доступними і для побутових потреб.
У 21 столітті сонячна енергетика набирає обертів, особливо з розвитком технологій і зниженням вартості обладнання. Все більше країн переходять на відновлювані джерела енергії, а сонячна енергетика стає важливою частиною боротьби зі зміною клімату.
Сьогодні, сонячна енергетика є одним з найперспективніших напрямів у глобальній енергетиці, що дозволяє країнам досягати енергетичної незалежності і зменшувати викиди парникових газів.
