История солнечной энергетики: с древних времен до наших дней

15.09.2020
История солнечной энергетики: с древних времен до наших дней

Настало то время, когда не проходит и дня без упоминания в средствах массовой информации словосочетания «солнечная энергетика». И не случайно, ведь мы живем во времена перехода от исчерпывающих свой потенциал углеводородов к нечто новому, красиво звучащему, возобновляемому. Ушло много времени и сил, прежде чем человеческий прогресс достиг того уровня, который мы наблюдаем сегодня. Что же все это время служило нам источником энергии?

Первопроходцем в мире энергии было дерево. Изначально дерево как топливо помогало нашим доисторическим предкам выживать, помимо того, что его использовали для изготовления орудий труда. После в жизни людей появился уголь, став ключевым элементом огромного рывка в развитии всего человечества на протяжении 19 века. С наступлением 20 века среди источников энергии стали доминировать нефть и газ, пока нефтяной кризис 70-х годов не принес с собой сомнения в надежности поставщиков «черного золота». Если посчитать, то получается, что каждый переход из одного вида энергии в другой длится в среднем 60 лет. Но чем обусловлен переход в принципе? Ответ прост - ресурсы земли не возобновляемые. Осознав это, люди занялись поиском бесконечного источника энергии. Но возникает вопрос, разве все это время люди не замечали вечный двигатель над своей головой? Не все так легко, как может показаться на первый взгляд.

Вся история освоения солнечной энергии человечеством напоминает захватывающий сюжет фильма. Тут и политические гонки, и экономическая драма, и неожиданные повороты сюжета, и концовка, которая перевернет всё восприятие фильма с ног на голову.

    

ИСТОРИЯ

Вернемся к нашим праотцам, а именно в 7 век до н.э. Приблизительно в это время встречаются первые упоминания о применении человеком солнечной энергии. Нечто похожее на современное увеличительное стекло использовали в борьбе с вредителями, например, муравьями, или для разжигания огня. Техника была довольно проста: брали кусок стекла и, пропуская через него солнечные лучи, поджигали хворост, сухую траву.

Столетиями позже люди стали использовать похожие изобретения практически везде. В тот период аптеки Древней Греции уже продавали зажигательные стекла для использования в приготовлении пищи и зажигании фонарей. А в соседнем Древнем Риме врачи нашли применение таким стеклам в медицине, прижигая с их помощью раны или другие поражения различных участков тела. Если вы все же не верите в сказанное, приведем исторический факт: под обломками одного из зданий в древнеримском городе Геркуланум, погребенного под землей после извержения Везувия, археологи нашли тайники с такими же стеклами. Ученые считают, что данные экземпляры изготовили еще в 4 веке до нашей эры. Стоит упомянуть и причудливый эксперимент древнегреческого драматурга Аристофана, в ходе которого он поместил Сократа под солнечный прожектор, чтобы продемонстрировать работу зеркального приспособления.

     Чуть позже, в 3 веке до н.э. дело коснулось и самого главного. Ведь греки и римляне часто использовали зеркала для зажигания факелов, необходимых при совершении ритуальных обрядов. Наука также не осталась в стороне. Греческий математик Диокл одним из первых доказал происхождение энергии от параболических зеркал в своем сочинении «О зажигательных зеркалах». Тогда и появился термин “зажигательные стекла” (burning glasses), которые не сильно отличались от современных увеличительных стекол. В то время они имели форму дуги и, как выяснилось, могли поджигать то, что находится под ними.

Зажжение Олимпийского огня

     Интересная легенда нашла распространение во 2 веке до н. э. Согласно ей, в 212 году Архимед использовал обыкновенные бронзовые щиты, магическим образом поджигая деревянные корабли римлян. Настоящее чудо, считали его современники, но как бы не так. Почти 50 лет назад греки провели эксперимент, раскрывший тайну подвигов Архимеда. Благодаря отражающему свойству меди солнечные лучи были направлены в деревянную лодку, что позволило поджечь её с расстояния 50 метров. Эксперимент доказывает, что в солнечном оружии не было никакого волшебства. Стоит напомнить, что боеспособность солнечных лучей была доказана еще известным французским естествоиспытателем Жоржем Луи Бюффоном, которому пришлось снять тень сомнения, наложенную ранее Рене Декартом. Бюффон в ходе эксперимента весной с помощью 168,8-ми дюймовых плоских зеркал смог поджечь корабельные доски с дистанции 50 метров.

     Историкам также известно о применении стекол в древних римских банях. Они пользовались большой популярностью в 1-4 веках нашей эры. В помещениях были установлены большие окна, выходившие исключительно на южную сторону. Такое расположение позволяло обогревать римские сооружения и постройки.

     Позже особенно жаркие споры в Древнем Риме стали разгораться вокруг так называемых солнечных печей или застекленных соляриев. Рост населения приводил к плотной застройке. Появление новых строений препятствовало попаданию солнечных лучей в солярии, чем были недовольны многие владельцы таких заведений и сами граждане. Заключение юриста того времени, по имени Ульпиан, выступавшего в защиту пострадавших граждан, спустя четыре века легло в основу одного из указов византийского императора Юстиниана I. Документ гласил: «Если какой-либо объект расположен таким образом, что препятствует попаданию солнечного света в солярий, следует признать, что этот объект создает тень в месте, где солнечный свет является абсолютной необходимостью. Таким образом, это является нарушением права».

     В наши дни такие же правила действуют в США и защищают права владельцев солнечных крыш в том случае, если более поздние сооружения затеняют установленные на них солнечные системы.

     Стоит добавить, что не только Древний Рим и Греция стояли у истоков освоения солнечной энергии. Свой вклад внес и Древний Китай, которому приписывают использование линз, изготовленных из горных кристаллов. Устройства были круглыми и прозрачными, размером с куриное яйцо. Одного такого яйца было достаточно, чтобы зажечь охапку хвороста и развести огонь. «Северные люди», викинги, использовали горные кристаллы в тех же целях, что и жители Поднебесной. Археологи в одном из городов на территории современной Швеции обнаружили линзы, которые по качеству практически ничем не уступали современным.

     Впрочем, намного позже выяснилось, что у солнечных лучей есть другое, куда более важное свойство – производство электрической энергии. Это направление в физике сегодня обозначается специалистами как фотовольтаика.

     История данного открытия берет свое начало в 1839 году. Французский ученый Александр Беккерель, отец будущего нобелевского лауреата по физике Анри Беккереля, занимался изучением солнечного спектра и наблюдал явление фотоэффекта (взаимодействие света с веществом, при котором энергия фотонов передается электронам этого вещества) в электролите - веществе, проводящем ток. Исследования помогли Александру сделать “ячейки” на основе соляной кислоты (HCl) и серебра, которые создавали электроэнергию под воздействием солнечных лучей.

     Прошло более 30 лет, прежде чем английский инженер-электрик Смит Уиллоуби открыл фотопроводимость селена, обнаружив, что он меняет свою электропроводимость под действием света. Сам первооткрыватель работал главным инженером-электротехником в известной английской компании Gutta Percha Company, занимавшейся выпуском продукции из каучуковой гуттаперчи, которые являлись прямыми предшественниками нынешней пластмассы. Компания известна изобретением особого типа кабеля. Тот самый кабель, благодаря своим уникальным свойствам, был использован в первой в мире международной телеграфной линии, проложенной по дну моря в 1851 году. В ходе этого вида деятельности Смиту и представился случай поработать с селеновыми стержнями. С их помощью он хотел обнаружить дефекты в кабеле перед погружением. Однако ученый заметил, что стержни портились с восходом солнца. Чтобы до конца убедиться в том, что их состояние меняется именно при солнечном свете, он поместил их в коробку с выдвижной крышкой. В закрытом состоянии на стержнях сопротивление было выше и оставалось постоянным. Но стоило открыть крышку и дать солнечным лучам проникнуть в коробку, проводимость стержней, то есть способность тела проводить электрический ток, резко возрастала.

     Это открытие в 1876 году позволило лондонскому профессору Уильяму Адамсу и его ученику Ричарду Эвансу Дэю понять, что при воздействии света селен вырабатывает электричество. Ученые провели множество экспериментов, в одном из которых они зажгли свечу на растоянии дюйма от тех же пластин селена, что и использовал Смит. Стрелка измерительного устройства среагировала немедленно. При отведении пластин от света стрелка падала до нуля. Быстрые манипуляции с пластиной исключали возможность того, что тепло свечи давало ток. Именно Адамс и Дэй дали название «фотоэлектрика» появлению тока под воздействием света.

     А уже в 1883 американский изобретатель Чарльз Фриттс создал первый солнечный элемент на основе селена, покрытого тонким слоем золота. В то время элемент мог преобразовать лишь 1 процент солнечной энергии. Тем не менее для науки это был настоящий прорыв, и солнечные модули из данных элементов установили на крыше одного из зданий в Нью-Йорке. Незадолго до этого, один из образцов солнечного модуля Фриттс отправил известному немецкому инженеру и изобретателю Вернеру фон Сименсу. Тот был так поражен уровнем электроэнергии, выдаваемой солнечным модулем, что решил представить его Королевской Прусской академии наук.

     С этого времени вопросы, связанные с фотовольтаикой, не давали покоя ни ученым, ни крупным промышленникам. Конец 19 века ознаменовался крупными открытиями в сфере солнечной энергетики.

     20 век стал еще более остросюжетным периодом, в котором нескончаемые поиски ученых подогревались политическими и экономическими конфликтами, причиной которых стала борьба за лидерство в мировой энергетике. Но об этом в следующем выпуске.

 


Возврат к списку