89. Фотоелектричне перетворення сонячної енергії

Серед усіх способів одержання електрики з енергії Сонця найбільш ефективний і перевірений в умовах тривалої експлуатації на Землі та в космосі є фотоелектричний метод прямого перетворення променистої енергії за допомогою напівпровідникових сонячних батарей.

Явище фотоефекту у напівпровідниках відкрите 1876 року у Селені. Вже більше ста років його інтенсивно досліджують і використовують на практиці. Проте практичне застосування для енергетики кремнієвих сонячних батарей почалося лише 1958 року після запуску супутників Землі. З того часу напівпровідникові сонячні батареї є основними і майже єдиними джерелами енергопостачання космічних апаратів. Ще зовсім нещодавно вважали, що фотоелектричний метод перетворення сонячної енергії перспективний лише для вирішення часткових завдань, зокрема для автономних систем електроживлення у важкодоступних або віддалених районах.

Важливим показником, що характеризує можливість широкого використання фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії в електричну, є вартість 1 Вт максимальної потужності, яка нині дорівнює 0,8 долара США. За повної вартості сонячних елементів – 4 долари США за 1 Вт, допоміжної апаратури – 2 долари США за 1 Вт, опроміненні місцевості 20 МДЖ/м у день та довговічності сонячних батарей 20 років вартість електроенергії становитиме приблизно 16 центів США за 1 кВт (4,4 цента за МДж). Така ціна є цілком конкурентоспроможною з вартістю електроенергії, що виробляється дизель-генераторами у віддалених районах, де вартість доставки палива й обслуговування різко зростає. Слід очікувати, що невдовзі сонячні батареї набудуть широкого використання в освітлювальних системах, системах тепло- і водопостачання, першою чергою, у сільських місцевостях.

До недавнього часу найбільш вивченим напівпровідниковим матеріалом, який відповідав вимогам створення на його основі фотоелементів, вважався кремній, тому фотоелементи робили саме з нього. Максимальний, теоретично можливий ККД таких фотоелементів становить 22%.

Як відомо, інтенсивність сонячного випромінювання значно змінюється в залежності від пори року й доби. Тому проблема використання енергії Сонця наштовхується на необхідність її акумулювання і збереження протягом певного часу. З усіх способів акумулювання сонячної енергії найперспективнішим вважається її перетворення на хімічну внаслідок фотохімічних реакцій. Видається, що невдовзі сонячні електростанції (СЕС) набудуть такого самого розповсюдження, як атомні чи термоядерні електростанції. Сонячні ж батареї застосовуються у космічній техніці.

90. Фотобіологічне перетворення сонячної енергії

Одним із методів прямого перетворення сонячної енергії є фотосинтез, тобто фотобіологічне перетворення сонячного світла, що дає життя всьому живому на Землі й забезпечує нас органічним паливом. Під час фотосинтезу у рослинах енергія сонячного світла перетворюється, здебільшого, у хімічну енергію вуглеводів, які одержують при відновленні вуглекислого газу. Основні моменти перетворення сонячної енергії у природному фотосинтезі нині досить добре вивчені.

Можливий шлях збільшення біомаси пов’язаний із селекцією рослин, що ефективно перетворюють сонячну енергію, для того, щоб сумарна біомаса (листки, стебла, корені) могла використовуватися для енергетичних цілей. Пошуки оптимальних шляхів використання біомаси рослин тісно пов’язані з необхідністю вирішувати найважчі технологічні й економічні питання, з виявленням найбільш раціональних методів збору або переробки рослинної сировини і відходів органічної речовини. У деяких водоростей (наприклад, у хлорели) експериментально виміряний ККД перетворення сонячної енергії досягає в оптимальних умовах приблизно 6 відсотків. Тобто, використовуючи водорості, можна досить ефективно здійснювати перетворення сонячної енергії в хімічну.

Найважливішою залишається глобальна проблема підвищення використання сонячної енергії культурними рослинами і зниження енерговитрат, пов’язаних зі спалюванням продуктів фотосинтезу. Ця проблема вимагає великого комплексу досліджень у фізіології й агротехніці. З нею тісно пов’язане вивчення механізмів регуляції фотосинтетичної діяльності рослин та їхньої продуктивності. Розвиток суспільства неминуче вимагатиме повнішого оволодіння сонячною енергією, і безперечно, що біологічний шлях її використання залишиться найважливішим на довгі роки, причому у близькому майбутньому фотосинтез рослин буде єдиним джерелом їжі й атмосферного кисню.