Свет зачастую рассматривается как нечто абсолютно обыденное, и мы обычно не задумываемся о его физической природе. В то же время эта проб­лема и интересна, и сложна. Уже в старину ученые начали иметь дело с проб­лемами использования оптических устройств, не вникая особенно в природу света.

Фундаментальные, углубленные исследования природы света начались только в 17-м столетии. В 1678 г. Кристиан Гюйгенс (1643 — 1727) представил доклад в Парижской Академии, к котором свет характеризовался как продоль­ное движение волн. Однако сэр Исаак Ньютон (1643 — 1727) описал свет как поток частиц, что привело к созданию корпускулярной теории света, домини­ровавшей вплоть до конца 18-го столетия. 19-е столетие стало периодом интен­сивного развития волновой теории, подтверждаемой экспериментами по ин­терференции и дифракции и новыми научными открытиями в области электри­чества и магнетизма.

Сегодня мы знаем, что свет формируется поперечными электромагнит­ными волнами в довольно узком диапазоне длин волн, и в то же время он про­является как поток фотонов. Отсюда следует, что обе теории применимы.

Этот уровень понимания — результат длительного развития наших знаний. Систематические исследования в области электрической энергии могли начать­ся только после изобретения в 1799 г. Александром Вольта гальванической ячейки.

В 1820 г. Ганс Христиан Эрстед (1777 — 1851) обнаружил, что электриче­ский ток создает магнитное поле вокруг проводника и что электричество и маг­нетизм так или иначе связаны. Позже Андре-Мари Ампер (1775 — 1836) пред­сказал и доказал существование силового взаимодействия электрических токов и сформулировал Закон Ампера. Майкл Фарадей (1791 — 1867) обнаружил элек­тромагнитную индукцию и сформулировал Закон Фарадея.

Все вышеизложенное подготовило, в свою очередь, базу для Джеймса Клерка Максвелла (1831 — 1879), который смог обобщить результаты предыду­щих исследований в области электричества и магнетизма в его четырех уравне­ниях и сформулировать, таким образом, общую теорию электромагнетизма [4]. Его уравнения показывают, что при изменении электрического поля индуциру­ется магнитное поле и, наоборот, изменения магнитного поля вызывают воз­никновение электрического поля. Оба поля распространяются в форме волн, со скоростью света с.

Рис. 3.1. Электромагнитные волны

Существование электромагнитных волн, предсказанное гораздо раньше, теперь было доказано экспериментально.

Соответствие между скоростью распространения этих волн и измеренной скоростью света было настолько поразительно, что привело Максвелла к выво­ду о том, что именно эти волны иллюстрируют природу света. Он смог вывести законы физической оптики из своих уравнений и, таким образом, объединить теорию оптики с теорией электромагнитного поля.

Теория Максвелла была встречена с большим скептицизмом, существо­вавшим в течение долгого времени. Наличие электромагнитных волн не было доказано экспериментально, и их существование казалось физикам маловероят­ным. Сам Максвелл прожил недостаточно долго, чтобы увидеть триумф своей теории. Спустя девять лет после его смерти Герц Генрих Рудольф (1857 — 1894) сумел доказать существование электромагнитных волн экспериментально в опытах по изучению электрического разряда между двумя заостренными элек­тродами. Он смог обнаружить ответный сигнал в антенне, т. е. он доказал суще­ствование электромагнитных волн с длинами волн короче, чем один метр. Од­нако он не увидел возможности практического применения своего открытия. Его ключевое применение было показано Маркони, Тесла и Поповым в их изо­бретениях беспроволочной телеграфии. Сегодня мы можем видеть другие бес­численные применения этого открытия.

Электромагнитные волны перестали быть простой гипотезой и стали ча­стью интегрированной электромагнитной теории поля. Форма такой волны представлена на рис. 3.1. Как описано выше, изменение в электрическом поле во времени вызывает образование магнитного поля и наоборот. Для линейно поляризованного света векторы интенсивности электрического поля и вызван­ного магнитного поля колеблются во взаимно перпендикулярных направлени­ях, один вызывая другой. Продольное движение волны осуществляется перпен­дикулярно к обоим этим векторам.

Обычный свет не поляризован, то есть векторы Ё и В индивидуальных волн изменяют их ориентацию хаотично (беспорядочно). Если проекция векто­ра Е на плоскость поляризации (плоскость перпендикулярная к направлению 36

распространения) является прямой линией, мы говорим о линейно поляризо­ванном свете. В случае, когда вершина вектора описывает круг или эллипс в этой плоскости, свет является кругово или эллиптически поляризованным.

У электромагнитных волн (или электромагнитной радиации) длины волн могут находиться в очень широком диапазоне от 10"13 м (или даже короче) до значений в сотни или тысячи метров и даже еще больше. Видимая радиация (или свет) представляет собой только узкий интервал длин волн Л є (380 nm; 760 nm), в котором каждая длина волны соответствует определен­ному цвету.

С увеличением длины волны в пределах этого интервала цвет меняется от фиолетового через синий, зеленый и желтый к красному. Солнечный свет вос­принимается как белый, потому что он содержит непрерывный спектр всех цве­тов. Все, вероятно, могли видеть этот спектр, разбиваемый на отдельные цвета оптической призмой или дифракционной решеткой, и уж, несомненно, видели радугу в небе.

У ультрафиолетовой радиации длина волны короче Лє(іО’8и<;3.8х1(Г7.м), чем у видимого света, еще короче длины волн рентгеновской радиации Л є (КГ1 1 м; 10~8 juj. Самые короткие длины волны — у гамма-излучения (у) Я < КГ11 м.

У инфракрасной радиации длина волны выше, чем у видимого света Я є (7.6х10“7л<; 10"* м). Еще выше длины волн микроволновых печей Я є ((О"1 м; КГ1 m’j, и самые длинные волны относятся к радиоволнам Я > КГ’м.

Границы между этими областями длин волны строго не определены и в литературе слегка варьируются. Представляют интерес результаты работы, в которой приводится оценка параметров нанометрических полос видимой части солнечного спектра [97].

Обзор спектральных областей электромагнитных волн представлен на рис. 3.2. Все типы радиации имеют одну природу, но все они существенно от­личаются. Вот почему различные типы электромагнитной радиации применя­ются в различных областях физики и техники. Примеры их возможных приме­нений также даны на рис. 3.2.

Двойственная природа упомянутых выше электромагнитных волн являет­ся одной из самых интересных их особенностей. Электромагнитные волны ве­дут себя и как волны, и как частицы в то же самое время. Волновой характер больше проявляется в случае радиации с большей длиной волны, а корпуску­лярный характер, или характер микрочастиц, больше соответствует коротко­волновой части спектра. Энергия в электромагнитной волне не распределена непрерывно. Она сконцентрирована в кластерах, названных квантами, которые могут рассматриваться как квазичастицы, то есть частицы с нулевой массой по­коя. С этой точки зрения характер света является также и корпускулярным, и мы можем вновь говорить о двойственной природе света.

—————— ► длина волны (м)

Вследствие двойственного характера электромагнитных волн все законы, применимые к волнам, такие как законы отражения и преломления на границе между двумя оптическими средами или эффекты интерференции в тонких сло­ях (например, на нефтяных пятнах) и дифракции на оптической решетке, отно­сятся также к электромагнитным волнам. Смещение частоты волны к красному краю видимого света из-за Доплер-эффекта известно как красное смещение в наблюдениях за отдаленными звездами и галактиками в расширяющейся все­ленной. Периодические Доплер-индуцированные изменения частоты, вызван­ные орбитальным движением звезды и массивной планеты вокруг общего цен­тра гравитации, служат косвенным доказательством существования массивных планет, движущихся вокруг некоторых звезд.

Корпускулярный характер электромагнитных волн замечен по квантовым эффектам. Радиация ведет себя как поток частиц (или точнее — квазичастиц), названных фотонами. Фотон с частотой v обладает энергией Е = hv, где И — постоянная Планка, названная в честь Макса Планка (1858 -1947), одного из основателей квантовой механики. Поскольку длина волны обратно пропорцио­нальна частоте и прямо пропорциональна периоду колебаний, согласно соот­ношению Я = — = с Т? фотоны с более короткой длиной волны обладают более высокой энергией.

Диаграмма на рис. 3.3 показывает зависимость энергии фотона от длины волны. Можно заметить, что в то время как фотоны видимой части спектра об­ладают энергией в интервале Е є <1.63а6; 3.27эВ), энергия у фотонов имеет 38

порядок МэВ. С другой стороны, энергия микроволновых фотонов имеет поря­док тысячных или сотых долей эВ. Видимая радиация, т. е. то, что мы называем светом (отмечена кругом на рис. 3.3), является всего лишь небольшой частью широкого спектра электромагнитного излучения.

ю’13 ю’10 ю-7 10’4 10»

————— длина волны (м)

Примеры корпускулярных эффектов электромагнитной радиации — фото­электрический эффект (фотоэлектрический эффект — это взаимодействие по­ступающих фотонов с электронами в материале), Комптон-эффект, или образо­вание и аннигиляция пар «частица — античастица».

Альберт Эйнштейн (1879 — 1955), как уже упоминалось ранее, был удо­стоен Нобелевской премии за предложенную им теорию внешнего фотоэлек­трического эффекта в 1921 г. Аннигиляция частиц и античастиц, приводя к эмиссии по крайней мере двух у фотонов, использовалась для того, чтобы дока­зать взаимосвязь массы и энергии согласно известному уравнению Е = тс2. Эффект относительности — гравитационная линза, а именно, гравитационное влияние на фотоны и последующий изгиб лучей света вблизи объектов с очень большой массой.

Существование гравитационной линзы и границы эффекта были впервые подтверждены экспериментально экспедицией Артура Эддингтона во время полного солнечного затмения 1919 г.

Итак, теперь мы имеем представление о том, что такое свет. Но способ, которым мы чувствуем цвет, это область глазной физиологии и неврологии.

Рис. 3.4. Чувствительность человеческого глаза как функция длины волны

Глаз функционирует таким образом, что мы чувствуем фотоны опреде­ленной длины волны как определенный цвет и смесь фотонов различных длин волны как цветовые оттенки. Радужная оболочка и линза (хрусталик) создают изображение объекта на сетчатке, которая покрыта двумя типами ячеек — па­лочками сетчатки (палочковидная зрительная клетка) и колбочками (колбочко­видная зрительная клетка). Самое чувствительное пятно на сетчатке — макула (желтое пятно) — покрыто только колбочковидными клетками. С увеличением расстояния от этого пятна плотность палочковидных клеток увеличивается, а плотность колбочек уменьшается. По краям поля зрения присутствуют только палочковидные клетки. Зрение в сумерки, когда интенсивность света низка, обеспечивается посредством палочковидных клеток.

Зрение при хороших условиях освещения обеспечивается колбочками. Цвета идентифицируются только колбочковидными клетками. Следовательно, наше восприятие цвета зависит от интенсивности света, и мы едва в состоянии различать цвета в сумерки. Свет, поступающий от отдаленных звезд, планет и галактик, имеет низкую интенсивность, поэтому мы можем видеть их глазом или посредством телескопа только как черно-белое изображение. Только современ­ные телескопы на основе высоких технологий (как, например, космический теле­скоп Хабл) в состоянии при помощи специальных датчиков и электронных инст­рументов создать цветные изображения этих объектов в истинном цвете.

Клетки типа палочек и колбочек имеют различную чувствительность к фотонам различных длин волны, как это видно из рис. 3.4. Поэтому кривые для видения в дневное и ночное время несколько смещены друг относительно дру­га. Диаграммы показывают, что при хороших условиях освещения видны луч­ше желтые объекты, тогда как в сумерках зеленые объекты видны лучше всего, а красные объекты почти невидимы.

40

Это утверждение подтверждается ежедневным опытом. Из-за изменения в чувствительности зрения при хороших условиях освещения мы можем воспри­нимать один объект как более яркий, чем другой, тогда как в сумерках тот же самый объект будет восприниматься как менее яркий.

Поверхность Земли главным образом освещена излучением видимой части спектра, значит, это вовсе не совпадение, что человек видящий чувствителен именно к этому диапазону длин волны, с максимальной чувствительностью, соот­ветствующей максимальной интенсивности солнечного излучения, которое дости­гает поверхности Земли. Животные, живущие в других условиях, оптимизировали свое зрение в соответствии с условиями существования, т. е. несколько смещен­ным к инфракрасной или ультрафиолетовой границам видимого диапазона.

Как уже упоминалось выше, фотоны воспринимаются человеческим гла­зом как определенный цвет, но и смесь фотонов различных длин волн может интерпретироваться как тот же самый цвет. Такой эффект может иметь место для различных комбинаций цветов. Без сложных инструментов мы не можем определить линии спектра и относительную интенсивность, вкладываемую в формирование получающегося цвета. У объектов есть определенный цвет, по­тому что они имеют заданную отражательную способность для фотонов опре­деленных длин волны. Спектр отраженного света приходит к нам как опреде­ленный оттенок цвета. Если бы объект был освещен светом различного спек­трального состава, то у отраженного света также был бы различный спектраль­ный состав, и мы бы субъективно видели тот же самый объект как сочетание различных цветов. То же самое верно для света, проходящего через окружаю­щую среду, прозрачность которой зависит от длины волны. Мы можем создать большинство возможных цветовых оттенков линейной комбинацией трех эле­ментарных цветов (обычно красный R, зеленый G и синий В). Цвет А образует­ся вследствие смешивания А= r]R + g, G + b, В, где гь gb b| — интенсивности индивидуальных компонентов.

Некоторые оттенки невозможно получить при положительных значениях Г), gi, b|. Например, трудно создать некоторые оттенки коричневого цвета. Но если мы не в состоянии создать оттенок X = r2R + g2G + Ь2В, мы можем решить проблему, добавляя компонент, например r3R, к обеим сторонам уравнения, и мы получаем несколько отличный оттенок X + r, R = (r2 + r3) R + g2G + Ь2В. До­пуская возможность того, что все, что бы мы ни добавили, может быть вычте­но, мы можем расширить набор коэффициентов g, г, Ь, чтобы включать отрица­тельные значения. Теперь любой оттенок цвета, видимого человеческим гла­зом, может быть создан. Невозможно найти три элементарных цвета, комбина­ция которых создает все возможные оттенки цветов, при использовании только положительных значений коэффициентов g, г, Ь.

Мы можем видеть математически, что цвет может интерпретироваться как вектор с координатными направлениями R, G, В.

Умножение коэффициентов rl, gl, Ы, соответственно, представляет только изменение в интенсивности для каждого цвета, смешивание цветов представляет сумму векторов. Если бы мы ограничивали себя заданной интен­сивностью света, точки конца векторов всех возможных цветов лежали бы

на поверхности сферы, радиус которой должен соответствовать данной интен­сивности света. В сферических полярных координатах двух переменных доста­точно, чтобы описать эту систему, а именно углы j и и. Третья координата, ра­диальная длина, является постоянной. Это означает, что все цвета могут быть представлены как точки в двухмерной плоскости. Эти преобразования, пред­ставленные на рис. 3.5, известны как цветовая (хроматическая) диаграмма, или как колориметрический треугольник [5].

Хроматическая диаграмма использует х — у координаты и представляет собой нерегулярную плоскость, ограниченную сверху кривой, точки на которой соответствуют цветам монохроматического света, то есть соответствуют фото­нам определенных длин волны. Снизу плоскость ограничена линией, соеди­няющей две экстремальные точки (красный и фиолетовый), соответствующей фиолетовому цвету. Точки внутри области соответствуют оттенкам цвета, яв­ляющегося результатом смешения фотонов различных длин волны. К центру все оттенки постепенно переходят в белый цвет, соответствующий непрерыв­ному спектру излучения «черного тела» при температуре Т = 5800 К (темпера­тура поверхности Солнца), то есть к дневному свету. X — у координаты — без­размерные величины, обычно называемые цветовыми координатами. Кривая, представляющая температурную зависимость сплошного спектра «черного те­ла», видна также на рис. 3.5 и 18.4.

В солнечных элементах происходит преобразование солнечного излуче­ния в электрический ток. Солнечная радиация, достигающая поверхности Зем­ли, характеризуется рядом параметров и проявляется весьма многообразно.

Для лучшего понимания процессов взаимодействия солнечного излуче­ния с объектами на Земле необходимо иметь четкое понимание всех аспектов, характеризующих солнечную радиацию. Для этого ниже приводится описание ряда основных терминов и понятий, используемых для характеристики солнеч­ного излучения во всем его многообразии.

Альбедо — отношение количества радиации, отраженной от поверхности к количеству радиации, падающей на эту поверхность. Различают альбедо по­верхности Земли, альбедо атмосферы, выражается в процентах или долях.

Альбедо Земли — отражательная способность Земли в целом.

Видимая радиация — видимый солнечный свет с длиной воли от 0,40 до 0.75 мкм — составляет примерно 46 % от солнечной радиации, поступающей на Землю.

Длинноволновая радиация — радиация с длиной волн от 4 до 100 120 мк,

менее 1 % всей солнечной радиации.

Земное излучение — тепловое длинноволновое (инфракрасное) излучение земной поверхности. Зависит от температуры поверхности. Интенсивность из­лучения можно рассчитать по формуле Стефана-Больцмана: Es = оТ. 104, где а — постоянная, равная 8,2 11 кал/см2.

Инфракрасная радиация (излучение) — невидимая радиация с длиной волн более 0.75 мк, 47% от всей радиации.

Оранжерейный (парниковый) эффект — способность атмосферы пропус­кать коротковолновое излучение Солнца (прямую и рассеянную радиацию) и задерживать длинноволновое тепловое излучение Земли. Географическое зна­чение: благодаря парниковому эффекту средняя температура земной поверхно­сти +15°С, при отсутствии атмосферы она была бы на 20 — 35°С ниже.

Отраженная радиация — часть радиации, отраженная от поверхности. За­висит от отражательной способности поверхности (альбедо).

Поглощенная радиация — часть радиации, поглощенная поверхностью. Зависит от отражательной способности поверхности (альбедо).

Прямая радиация — радиация, приходящая к земной поверхности непо­средственно от солнечного диска в виде пучка параллельных лучей. В связи со значительной удаленностью источника принимается как поток параллельных лучей. Зависит от угла падения на земную поверхность.

Радиационный баланс — остаточная радиация (разность между приходом и расходом солнечной радиации).

Рассеянная радиация — часть солнечной радиации, рассеиваемая атмо­сферой.

Суммарная радиация — сумма прямой и рассеянной солнечной радиации, поступающей на земную поверхность.

Тепловой баланс атмосферы — соотношение всех приходов и расходов те­пла в атмосфере — выражается формулой:

Ru LE + Р “ 0,

где Ra — радиационный баланс атмосферы (расходная часть); приходная часть: LE — тепло, выделяемое при конденсации; Р — тепло, поступающее от поверх­ности за счет турбулентности. В среднем в течение многолетнего периода равен нулю.

Тепловой баланс земной поверхности — соотношение прихода и расхода тепла на земной поверхности — выражается уравнением:

Rn+ LE + Р + В — 0,

где R,, — радиационный баланс (приходная часть баланса); расходная часть: LE — затраты тепла на испарение (L — скрытая теплота парообразования. Е — ис­парение); Р — потери тепла через турбулентный обмен между поверхностью и атмосферой; В — потери тепла через теплообмен между поверхностью и поч­вогрунтами. Среднее многолетнее значение равно 0.

Эффективное излучение земной поверхности — потеря тепла земной по­верхностью, равная разности между излучением земной поверхности и встреч­ным излучением атмосферы: Ес = Es — Еа. Измеряется ночью специальным при­бором — пиргеометром.

Фотоэлектричество как отрасль науки имеет долгую историю. Еще в 1839 г. французский физик А. Е. Беккерель, работая с электролитами, обнаружил фото­электрический эффект. В 1873 г. В. Смит обратил внимание на тот факт, что се­лен проявляет фотопроводящие свойства. Позднее, примерно через 14 лет, ра­ботая с открытым резонатором, Генрих Герц наблюдал интересную закономер­ность. Он заметил, что если на цинковые разрядники направить поток ультра­фиолетового излучения, то прохождение искры облегчается. Позднее было по­казано, что энергия вылетающего с поверхности электрона строго зависит от частоты поступающего излучения, в то время как от интенсивности облучения не зависит. Это противоречило положениям господствующей в то время клас­сической электродинамики.

Позднее фотоэффект детально изучал русский физик А. Столетов, кото­рый в результате сделал несколько интересных открытий и сформулировал первый закон внешнего фотоэффекта. Однако первый фотоэлемент был создан только в 1883 году Чарльзом Фриттсом на селене, покрытом тонким слоем зо­лота. КПД такого фотоэлемента не превышал 1%.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) принято называть испускание электронов веществом под воздействием света. Электроны, выле­тающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а образуемый ими электрический ток называется фототоком.

Зависимость спектральной чувствительности от частоты (или длины вол­ны света) называют спектральной характеристикой фотокатода.

Схематически внешний фотоэффект изображен на рис. 2.1.

©

В результате многолетних исследований были сформулированы основные законы внешнего фотоэффекта:

1. Закон Столетова: при неизменном спектральном составе света, па­дающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энерге­тической освещенности катода (иначе — число фотоэлектронов, выби­ваемых из катода за 1 секунду, прямо пропорционально интенсивности света).

2. Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлек­тронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света v„, при которой фотоэффект еще на­блюдается.

4. Фотоэффект безынерционен. С начала облучения металла светом до начала вылета фотоэлектронов проходит время t < 10’9с.

Объяснить фотоэффект удалось Альберту Эйнштейну в 1905 г. на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. Именно за это открытие, а вовсе не за создание теории относительности, в 1921 г. он был удостоен Нобе­левской премии. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза. Планк предположил, что свет излучается только квантованными порциями, а Эйнштейн пошел дальше — он предположил, что свет и существует только в ви­де этих квантованных порций.

Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц — фотонов следует, что

hv^Aout

где Аои1 — так называемая работа выхода (минимальная энергия, необходимая

/иг2

для удаления электрона из вещества); ————- кинетическая энергия вылетающе­

го электрона; v— частота падающего фотона с энергией Лг; И — постоянная Планка.

Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона бу­дет недостаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла.

Смысл формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества, т. е. на работу, которую необходимо совершить для того, чтобы «вырвать» электрон, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона.

Исследования фотоэффекта были одними из первых квантово-механи­ческих исследований. Благодаря этим исследованиям было получено экспери­ментальное подтверждение, что свет помимо волновых свойств обладает и кор­пускулярными свойствами.

Таким образом, квантовая теория света полностью объясняет явление внешнего фотоэффекта.

Однако различают два вида фотоэффекта:

1) внешний (о котором мы только что говорили) — вырывание электронов из поверхности твердого тела под действием света;

2) внутренний — изменение электропроводимости полупроводников и ди­электриков под действием света.

Термин «фотоэлектрический» происходит от греческого «фотос», что означает «свет», и «вольтовый», то есть электрический, по имени итальян­ского физика А. Вольта, в честь которого называется единица электродви­жущей силы — вольт. Термин «фотоэлектрический» используется в англий­ском языке с 1849 г.

Именно внутренний фотоэффект, а точнее процесс разделения генери­руемых квантами света электронно-дырочных пар на р-р переходе, лежит в ос­нове процесса генерации электрического тока в фотоэлементах.

Современный фотоэлемент запатентовал Russell Ohl (Рассел Оль) (U. S. Patent 2,402,662 «Light sensitive device»). Оль запатентовал современное уст­ройство полупроводникового солнечного элемента. Однако еще раньше Свен Асон Верглунд (Sven Ason Berglund) предложил метод повышения чувстви­тельности фотоэлемента.

Современная история фотоэнергетики исчисляется с 1954 г., когда со­трудники лаборатории компании Bell случайно обнаружили, что кремний, ле­гированный некоторыми примесями, имеет чрезвычайно высокую фоточувст­вительность. Это привело к созданию первого практического фотоэлемента. В 1954 г. американцы Пирсон, Фуллер и Чаплин запатентовали первый фотоэле­мент с вполне приемлемым (порядка 6%) КПД.

В СССР первые работы по созданию фотоэлектрических преобразователей проводились в Физико-техническом институте Академии Наук (г. Ленинград). Руководил этими работами знаменитый академик А. Ф. Иоффе.

В 1938 г. два его аспиранта (Юрий Маслоковец и Борис Коломиец) созда­ли первый фотоэлемент. КПД получаемых тогда сернисто-таллиевых элементов не превышал 1 %. Однако академик А. Ф. Иоффе, бессменный руководитель ин­ститута, ученик знаменитого Рентгена, сразу же осознал значение полученных результатов. Уже тогда он предложил разработать государственную программу по «выстиланию» такими фотоэлементами крыш зданий. Тогда это предложе­ние смотрелось как утопия и поддержки не получило. Однако сегодня мы знаем об успешной реализации в разных странах проектов под названием «1000 сол­нечных крыш» (Германия), «70 000 солнечных крыш» (Япония), «Миллион крыш» (США) и т. д.

Позднее работы по разработке и выпуску фотоэлектрических преобразо­вателей в СССР получили интенсивное развитие во Всесоюзном научно­исследовательском институте источников тока (ВНИИТ, г. Москва), который обеспечивал решение задачи по обеспечению энергией всех космических объ­ектов, запускаемых в Советском Союзе.

Здесь необходимо отметить огромную роль в развитии этого направления науки и техники в СССР Николая Степановича Лидоренко, доктора техниче­ских наук, профессора, члена-корреспондента Академии Наук СССР (впослед­ствии Российской Академии Наук, РАН). Его имя неразрывно связано с разви­тием советской космической фотоэнергетики, равно как и с развитием ВНИИТа, позднее переименованного в НПО «Квант», где он работал с 1950 по 1986 год в должности Генерального директора и Главного конструктора.

В 1958 г. солнечные батареи на кремниевых фотоэлементах впервые были установлены на третьем советском спутнике (а также и на американском спут­нике «Авангард»). С тех пор солнечные элементы стали основным источником энергии на всех космических аппаратах на околоземной орбите.

До последних дней Н. С. Лидоренко был активен, продолжал сотрудниче­ство с многочисленным отрядом своих учеников и сподвижников. Оказывал поддержку молодым ученым, работающим в самых разных организациях. На рис. 18.135 Н. С. Лидоренко с группой сотрудников во время его визита во Все­российский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ).

В 1970 г. в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе коллективом сотрудников под руководством Жореса Ивановича Алферова был создан фото­элемент на основе арсенида галлия, который имел высокий КПД. Здесь под ру­ководством Ж. И. Алферова сформировался коллектив талантливых ученых, плодотворно работающих в области получения и исследования полупроводни­ковых многослойных гетероструктур (рис. 18.136). В дальнейшем Ж. И. Алфе­ровым, академиком РАН, лауреатом Нобелевской премии, была создана науч­ная школа и сформировано новое направление, связанное с созданием теории и практики получения, исследования и применения в различных отраслях науки и техники многослойных, так называемых «каскадных» структур на основе со­единений АшВу. Эти устройства нашли широкое применение в различных от­раслях науки и техники. Одна из таких отраслей — фотоэнергетика, где эти структуры открывают широкие возможности для существенного повышения КПД фотоэлементов за счет более полного использования всего спектра сол­нечного излучения и повышения эффективности работы солнечных элементов при использовании концентрированного солнечного излучения (за счет концен­траторов солнечной радиации).

Во ВНИИТе в 1967-1969 гг. были разработаны первые в мире солнечные фотоэлектрические установки с фацетными концентраторами, которые исполь­зовались для электроснабжения автономных объектов в Армении (рис. 18.150) и в Туркменистане (рис. 18.151).

В 1975 г. во ВНИИТе был создан отдел наземной солнечной энергетики, которым в течение 12 лет руководил Заместитель Главного конструктора ВНИИТа Д. С. Стребков. За эти годы были разработаны и внедрены сотни сол­нечных фотоэлектрических установок для автономного электроснабжения реч­ных буев и морских маяков, водоподъемных установок, сейсмических станций, специальных потребителей. На рис. 18.152 и 18.153 представлена солнечная фотоэлектрическая водоподъемная установка электрической мощностью 650 Вт с системой слежения за Солнцем в пустыне Кара-Кумы (Туркменистан, 1985 г).

В 1986 г. в Туркменской базовой лаборатории ВНИИТа в г. Ашхабаде была запущена в эксплуатацию солнечная фотоэлектрическая станция с пара­болоцилиндрическим концентратором (рис. 18.154 и 18.155) электрической мощностью 10 кВт, работающей на энергосистему.

В США первый эффективный солнечный элемент с КПД 17% был произ­веден в промышленных количествах в 1988 г. корпорацией Applied Solar Energy Corporation (ASEC).

К середине 70-х годов КПД солнечных элементов на кремнии во всем ми­ре и в СССР, в частности, достиг величины порядка 10%. Далее в течение дли­тельного периода этот показатель оставался на том же уровне. Для использова­ния в космических аппаратах такой уровень эффективности преобразования солнечного излучения рассматривался как достаточный.

Серьезным стимулом для развития фотоэнергетики во всем мире послу­жили два мировых энергетических кризиса. В этот период работы по солнечной фотоэнергетике были вновь интенсифицированы, а акцент в этих работах был сделан на повышение эффективности солнечных элементов на кремнии, одном из самых распространенных в природе элементов и наиболее представленном на рынке сырьем.

Советский Союз в этот период не испытывал серьезных проблем с энер­горесурсами, в частности, с нефтью и природным газом. Это и стало причиной того, что работы по фотоэлектрическим преобразователям в СССР должного развития не получили. Сведения о сформировавшихся на этот период организа­циях, вовлеченных в разработку и производство солнечных элементов или мо­дулей, приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Разработчики и производители солнечных элементов, фотоэлектрических модулей (ФМ) и станций (ФЭС) Организация/ Предприятие Год образования Номенклатура продукции Место­ нахождение Всероссийский НИИ электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) 1930 ФМ мощностью 27-33 Вт и ФЭС бытового назначе­ния г. Москва АО ВИЭН (при ВИЭСХ) г. Москва Научно-производственное предприятие «Квант» ФМ мощностью 11; 22; 33; 44; 50; 66; 80; 110 Вт; универ­сальные ФЭС г. Москва НПФ «Кварк» ФМ мощностью от 3 до 60 Вт г. Краснодар ФГУП «НИИПП» 1964 ФМ мощностью от 0,3 до 200 Вт г. Томск

Организация/ Предприятие	Год образования	Номенклатура продукции	Место­ нахождение
ЗАО «ОКБ завода "Красное Знамя"»	1984	ФМ мощностью 10; 15; 25; 30; 33; 35; 40; 45; 50; 55; 60 Вт	г. Рязань
АООТ Правдинский опытный завод источников тока «Позит»		ФМ без каркаса и с каркасом мощ­ностью 4,5; 5; 8; 9; 10 Вт; ФЭС	Московская обл., п. Правдинский
ОАО «Рязанский Завод Металлокерамических приборов»	1963	ФМ мощностью от 8 до 55 Вт	г. Рязань
ООО «Солнечный ветер»	1992	ФЭС бытового назначения от 3 до 200 Вт	г. Краснодар
ООО «СОВЛАКС»	1991	Жесткие ФМ на основе амфорно — го кремния мощ­ностью 12,5 и 20 Вт; ФМ для крыш зданий на амфор — ном кремнии мощ­ностью 20 и 80 Вт	г. Москва
ОАО «Сатурн»		ФМ мощностью 10-25 и 55 Вт, ЭС мощностью 10-100-200 и 500 Вт, ФЭС универсаль­ные мощностью от 0,06 до 10 кВт	г. Краснодар
НПФ «Санэнеджи»		8 видов ФЭС	г. Москва
ЗАО «Телеком — СТВ»	1991	ФМ мощностью 5(7); 10(12); 20; 22; 25; 30; 33; 35; 40; 45; 50; 53 Вт	г. Москва, Зеленоград
ФТИ им. А. Ф. Иоффе	1918	Солнечные элементы	г. С.-Петербург
АО «Элма»		ФМ мощностью 5-7-10-12-30-33-35­40-45-50 Вт	г. Москва

Источник: http://ecoclub.nsu. ru/allenergy/common/table2.htm 30

В этот период рост объемов производства продукции на этих предприя­тиях и в этих организациях сдерживался, главным образом, практически пол­ным отсутствием потребителей на рынке. Цены на производимую продукцию были достаточно высоки, а низкие тарифы на традиционные энергоносители не способствовали росту спроса на солнечные элементы и модули. Более того, платежеспособность населения и юридических лиц оставалась низкой.

В начале 1990-х годов, несмотря на значительные достижения российской науки и техники в области фотоэлектричества, это направление вовсе перестало получать финансовую поддержку от государства. Вследствие этого завоеван­ные в предыдущие годы позиции стали теряться. Это касается в первую оче­редь наземной фотоэнергетики, в области которой в период двух энергетиче­ских кризисов зарубежные компании развили интенсивную деятельность и ста­ли бить рекорды как по технико-экономическим показателям, так и по объемам производства изделий фотоэлектричества.

Только благодаря усилиям отдельных энтузиастов работы по фотоэле­ментам в России не только не заглохли, но и получили определенное развитие. Именно благодаря их активности в настоящее время в России существует ряд вполне современных предприятий по производству солнечных элементов и мо­дулей, продукция которых пользуется спросом на рынке, в том числе, со сторо­ны зарубежных потребителей. Более того, именно в России был выполнен ком­плекс исследований, позволивших создать солнечные элементы на основе кремния нового типа (например, матричные солнечные элементы) и фотоэлект­рические модули с удвоенным по сравнению со стандартным сроком службы, которые будут рассмотрены в последующих главах книги.

Ко второй половине 1990-х годов прошлого столетия фотоэлектричество стало самостоятельной и перспективной отраслью промышленности. В связи с этим Россия, несмотря на некоторые научные достижения в недалеком про­шлом, стала терять свои лидирующие позиции. Возникла необходимость заку­пать за рубежом не только оборудование для фотоэнергетики, но и технологии производства фотоэлектрических элементов и модулей.

Для решения этой проблемы в 1996 г. Министерством науки и тех­нологий РФ в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограммы «Экологически чистая энергетика» был начат проект «Создание высокоэффективных кремниевых фо­топреобразователей и модулей с удельными параметрами более 160 Вт/м2 и 140 Вт/м2 соответственно и развертывание их опытно-промышленного произ­водства с объемом 300 кВт/год». Головным предприятием по проекту была оп­ределена научно-производственная фирма «Кварк» (г. Краснодар). В 1998 г. проект был завершен. Была разработана оригинальная технология изготовления солнечных элементов и модулей с КПД до 16%.

Следует отметить, что даже в трудные годы отсутствия государственной поддержки благодаря активности энтузиастов появились предприятия, способ­ные воспринять для внедрения новые технологии производства фотоэлектриче-

ской продукции. Поэтому технология, разработанная в опытно-промышленном масштабе, была внедрена в производство на фирме «Солнечный ветер» (г. Краснодар). Характеристики выпускаемой продукции соответствовали луч­шим мировым образцам. Одновременно эта технологии была внедрена и на производственной базе ЗАО «ОКБ завода «Красное знамя» (г. Рязань).

Д. С. Стребковым была предложена таблица ключевых достижений в об­ласти фотоэнергетики [63] (таблица 2.2).

Таблица 2.2. Развитие фотоэлектричества в России Год Ключевые достижения 1958 Был запущен первый спутник с солнечными батареями. 1964 В пустыне Кара-Кумы недалеко от Ашхабада в Туркмении бы­ла опробована солнечная батарея с концентраторами мощностью 0,25 кВт для подъема воды. 1967 Был разработан новый класс фотопреобразователей — многопере­ходные и высоковольтные солнечные элементы на кремнии. 1970 Технология ионной имплантации стала применяться в произ­водстве солнечных элементов. 1970 Была разработана технология фотопреобразователей с двусто­ронней чувствительностью. 1975 Прошли испытания солнечные батареи площадью 1 м2 и напря­жением 32 кВ для ионно-плазменного двигателя. 1975 Разработана технология солнечных элементов на основе GaAlAs-GaAs. (В 1981 г. были использованы в лунной космиче­ской программе). 1980 Была разработана технология многопереходных солнечных элементов на основе GaAlAs-GaAs. 1984 В Ашхабаде была установлена фотоэлектрическая система мощностью 10 кВт с пластиковыми параболическими кон­центраторами. 1984 Для преобразования лазерного излучения солнечными элементами был достигнут КПД в 36%. 1987 Была разработана технология очистки металлургического кремния для солнечных элементов. 1989 В Краснодарском крае была построена «солнечная» деревня мощностью 40 кВт. 1989 Была разработана специальная технология производства солнеч­ных элементов наземного применения. 1993 Достигнут КПД в 30% для каскадных солнечных элементов на основе GaAlAs-GaAs гетероструктуры на германиевой под­ложке. Разработаны новые классы голографических, призмати­ческих, параболических концентраторов и оптических систем на их основе. 1999 Разработана низкотемпературная бесхлорная технология получения солнечного кремния.

Год	Ключевые достижения
2001	Испытана резонансная система передачи электроэнергии, 20 кВт, 10 кВ.
2004	Предложена глобальная солнечная энергетическая система с круглогодичной выработкой электроэнергии 24 часа в сутки.
2005	Стационарный параболоидный концентратор с концентрацией х 3,5.

В дальнейшем ситуация на рынке фотоэлектричества стала последова­тельно меняться. Производители фотоэлементов и модулей, освоившие про­грессивные технологии, начали производить продукцию высокого качества и поставлять ее по сравнительно низким ценам. Поэтому резко возрос объем за­казов из-за рубежа. Особенно бурно объем заказов начал расти после принятия в некоторых странах ЕС (особенно в Германии) законодательных актов, стиму­лирующих приобретение и установку у себя в домах небольших по мощности фотоэлектрических станций. Спрос на ФЭ и модули резко возрастает, и россий­ские производители начинают наращивать объемы выпуска продукции. Изме­няется состав предприятий, специализирующихся в области производства сол­нечных элементов и модулей. Наибольшие темпы роста демонстрируют пред­приятия с частной формой собственности, создаваемые, как правило, группой инициативных частных лиц, работавших ранее в этой или смежных отраслях.

Эти предприятия начинают активно развиваться. Производство солнеч­ных элементов и солнечных модулей в России в 2005 г. составило уже 12,6 МВт (это примерно 0,75 — 0,90% от общемирового объема).

Производственные мощности начали концентрироваться в основном в трех регионах (рис. 2.2).

S Краснодарский край ® Москва и область ^Рязанская область

В Солнечный ветер

В Санэнджи

□ ОКБ "Красное знамя"

Heieccm STV

П Рязанский завод металлонерзмич ескнх изделий

2т

Рис. 2.3. Доля компаний в производстве ФЭП и солнечных модулей в общем объеме производства (http://www. abercade. ru/reports/batasolrep05)

ООО «Хевел» (совместное предприятие ГК «Ренова» и ОАО «Роснано») готовится к вводу в эксплуатацию крупнейшего в Европе завода по производ­ству тонкопленочных фотоэлектрических модулей для солнечной энергетики, расположенного в Новочебоксарске (Чувашия)[1]. ООО «Хевел» создано летом 2009 г. для развития в России производства тонкопленочных солнечных моду­лей. Доля «Роснано» в уставном капитале ООО «Хевел» составляет 49%, «Ре­новы» -51%.

В рамках проекта предполагается создать предприятие полного цикла по выпуску солнечных модулей мощностью один миллион солнечных модулей в год, что соответствует 130 МВт в год. В производстве должны быть использо­ваны новые мировые разработки в производстве «тонких пленок». В качестве базовой планируется использовать технологию тонкопленочных фотоэлементов на основе микроморфного кремния, разработанную мировым лидером солнеч­ной энергетики — компанией Oerlikon Solar (Швейцария).

Реализация проекта, если его удастся реализовать, должна способствовать стимулированию вспомогательных производств, в частности, производства особо чистых технических газов и специального стекла на территории России. В то же время авторам представляется, что при реализации проекта такого масштаба и такого характера в России надо тщательно рассмотреть ситуацию на российском рынке фотоэлементов, оценить спрос на эту продукцию и воз­можности экспорта, а также провести соответствующие подготовительные ме­роприятия.

Устойчивое развитие человечества — часто обсуждаемая в настоящее вре­мя тема. Совершенно очевидно, что будущее технологическое развитие не мо­жет продолжаться только на основе роста производства и потребления иско­паемого топлива (нефть, уголь, природный газ), потому что его запасы посте­пенно истощаются. Их использование, кроме того, оказывает значительную на­грузку на окружающую среду.

В настоящее время потребление энергии от ископаемого топлива проис­ходит значительно быстрее, чем восполнение его запасов. Можно уверенно по­лагать, и это общепризнанный факт, что использование возобновляемых источ­ников энергии — единственная жизнеспособная альтернатива для развития на­шей цивилизации. Этой проблеме посвящены международные политические и научные конференции, в том числе ключевая конференция в Киото (Япония) в 1997 г., хотя такую же конференцию 2007 г. на о. Бали (Индонезия) нельзя при­знать успешной.

Общее производство энергии на Земле растет по экспоненте. В 2000 г. его объем уже превысил Е= 1014 кВт ч/год. Если бы эта тенденция продолжилась, то этот объем достиг бы величины Е= 1017 кВтч/год в течение менее чем столе­тия [1, 2].

Это стало бы катастрофическим сценарием, при котором глобальные эко­системы, скорее всего, не смогли бы выжить.

Кроме производства энергии как таковой, должны быть учтены и многие другие известные и весьма обсуждаемые побочные эффекты. Это эмиссия опасных или даже ядовитых газов, производство и эмиссия пепла, радиоактив­ные отходы, эмиссия парниковых газов, кислотные дожди, как следствие этого — глобальное потепление и таяние ледников.

Необходимо подчеркнуть, что во время последнего ледникового периода средняя температура на Земле была только на 4°С ниже, чем сегодня, а на осно­ве недавно выполненных оценок можно полагать, что в течение последующих 50 лет средняя температура на Земле может вырасти на 4°С. Такое увеличение температуры оказало бы катастрофическое влияние на глобальные экосистемы.

Самые пессимистические сценарии оценивают средний прирост темпера­туры в течение следующего столетия на уровне 9°С. Концентрация атмосфер­ного СС>2 растет на 0.4 % ежегодно, а концентрация метана растет еще быстрее. Парниковый эффект, вероятно, и есть причина имеющего место, весьма опас­ного изменения климата. Парниковые газы поглощают инфракрасную радиа-

цию от поверхности Земли, частично отражая ее. Этот эффект нарушает баланс между энергией, поглощенной Землей и отраженной от Земли. Пока не доказа­но убедительно, что эти изменения климата вызваны именно деятельностью че­ловека. Быстрое изменение климата и колебание уровня моря на целых 100 м исторически имели место в течение текущего тысячелетия.

Угольная электростанция мощностью Р = 1000 МВт существенно загряз­няет атмосферу, выбрасывая приблизительно Ю10 кг СО2 ежегодно, не говоря уже о других газах, таких как SO2, и о золе (часто слегка радиоактивной). Эта эмиссия происходит даже и от электростанций с высококачественными десуль — фуризаторами и сепараторами золы, вызывая кислотные дожди и снижение pH почвы и поверхностных вод.

Некоторый оптимизм прибавляют прогнозы, связанные с тем, что мы не мо­жем экстраполировать на будущее текущие тенденции, и что производство энер­гии достигнет насыщения, например вследствие внедрения энергосберегающих технологий и того факта, что кривая производства энергии во времени асимптоти­чески приблизится к уровню Е = 1016 кВт-ч/год, который никогда не будет пре­взойден. Согласно [3], текущее потребление нефти уже достигло своего максимума и должно начать снижаться после 2030 года. За следующие 50 лет ее потребление должно снизиться приблизительно до половины существующего уровня.

Такая тенденция могла бы, возможно, быть приемлемой с точки зрения устойчивого развития. Но прогнозы изменяются в большой степени (это пока­зано на рис. 1.1), и только время покажет, какой из этих прогнозов окажется верным. Поэтому поиск альтернативы традиционным ископаемым энергоре­сурсам представляется задачей чрезвычайно актуальности.

1900 2000 2100 2200 * год Рис. 1.1. Гповальное производство энергии: 1 — общее производство энергии; 2 — производство электроэнергии; 3 — прогноз (е — энергия, приходящая от Солнца)

Уже даже не обсуждается вопрос о том, что широкомасштабное введение в хозяйственную деятельность возобновляемых источников энергии является едва ли ни единственным шансом для выживания человечества. Только повсе­местное осознание этого факта и принятие экстренных мер по реализации на практике этой идеологии, причем в самое ближайшее время, может обеспечить устойчивое развитие человечества на долгие десятилетия и столетия вперед.

По общепринятой терминологии к нетрадиционным возобновляемым ис­точникам энергии (НВИЭ) относятся гидроэнергия, солнечная и геотермальная энергия, энергия ветра, приливов и отливов, волн, термальный градиент моря, энергия преобразования биомассы, энергия сжигания топливной древесины, дре­весного угля, торфа. Насчитывается множество источников энергии, которые со­ответствуют этому определению, и достаточно большое число энергетических технологий, основанных на использовании ВИЭ (см. рис. 18.104 иллюстриро­ванного приложения, глава 18). При рассмотрении этого рисунка можно легко убедиться, что практически все возобновляемые источники энергии являются производными от энергии Солнца (исключение составляют ядерная энергия, вы­сокотемпературная геотермальная энергия, а также энергия приливов и отливов, обусловленных притяжением нашего естественного спутника Луны).

Понятно, что далеко не все представленные на рис. 18.104 виды возоб­новляемой энергии уже сегодня могут быть вовлечены в хозяйственную прак­тику. И это определяется не только, и не столько потенциалом этих ВИЭ, сколько рядом других факторов, важнейшим из которых является степень про­работанности и уровень развития технологий использования того или иного во­зобновляемого энергоресурса. Наиболее используемые сегодня на практике во­зобновляемые источники энергии показаны нарис. 18.105.

К сожалению, Россия сегодня не является мировым лидером в вопросах использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) (рис. 18.110), одна­ко имеются основания полагать, что уже в обозримом будущем ситуация нач­нет меняться к лучшему.

Солнце является первичным и основным источником энергии для нашей планеты. Оно обогревает Землю, приводит в движение реки и сообщает силу ветру. Человечество только начинает в полной мере выявлять и использовать ее потенциал.

Энергия, получаемая от Солнца, является чистой, неисчерпаемой и не оказывает вредного влияния на окружающую среду. Использование энергии Солнца — лучший способ борьбы с выбросами вредной двуокиси углерода ССЬ, вырабатываемой традиционными генераторами электрической и тепловой энергии.

Энергия Солнца поистине неисчерпаема. Из рассмотрения рис. 18.106 видно, что годовое поступление на Землю солнечной энергии во много раз пре­вышает общемировые потребности в энергии.

Естественно, не вся приходящая энергия Солнца во всех ее проявлениях может быть полезно использована. В значительной степени это определяется балансом солнечной энергии, поступающей на Землю (рис. 1.2).

Теплопроводность и конвекция от поверхности Земли 7%

а & ^

Нагрев земной.

поверхности 47% *

Рис. 1.2. Приближенный баланс солнечной энергии, поступающей на Землю

Наша планета поглощает постоянно Р=1,810П Вт солнечного излучения с небольшими колебаниями вследствие солнечной активности и сезонных эф­фектов (поскольку орбита Земли отличается от круговой). Это на три порядка величины выше, чем все производство и потребление энергии человечеством.

Однако не нужно забывать, что только ничтожная часть поступающей энергии может быть использована.

Потребление угля начнет уменьшаться приблизительно в 2040 г. С другой стороны, использование солнечной энергии растет быстро, и к 2040 г. ее доля в полном производстве энергии на Земле должна быть наибольшей среди всех источников энергии. Этот рост мог бы, вероятно, быть еще более высоким, если бы развитию солнечной энергетики не препятствовали ее противники, связан­ные с нефтяным лобби.

Использование солнечной энергии может быть реализовано по двум главным направлениям.

1. Фотоэлектрическое преобразование солнечного излучения в электро­энергию (Photovoltaics).

2. Тепловое использование солнечной энергии (Solar Thermal).

Тенденции в производстве энергии из различных источников, начиная с

1950 г., и прогноз будущего развития до 2060 г. показаны на рис. 1.3.

Более детально эта информация представлена на рис. 18.3. Оба рисунка основаны на данных Королевской голландской компании Shell.

Глобальное производства солнечных фотоэлектрических панелей растет во всем мире такими темпами, что превосходит даже самые оптимистические прогнозы.

геотермальная энергия энергия океана солнечная энергия

новая омомасса анергия ветра гидроэнергия традиционная биомасса ядерная энергия природный газ нефть

уголь

Наиболее высокими темпами производство фотоэлектрических модулей растет в Германии. Весьма активны Китай и Япония, а также ряд других стран. Рост объема установленных фотоэлектрических панелей в Европе выше, чем в США, в первую очередь благодаря субсидиям, которые предусматриваются в некоторых европейских государствах на эти цели.

Остальная часть мира это, главным образом, развивающиеся страны, где рост объемов установленных солнечных панелей сдерживается низкой покупа­тельной способностью населения. Информация о состоянии производства в разных странах мира представлена на рис. 18.120 и 18.121.

Во многих случаях объем производства солнечных модулей лимитирует­ся наличием производственных мощностей. Однако в России ситуация выгля­дит иначе. Из рис. 18.119 легко видеть, что реальное производство предпри­ятиями Российской Федерации солнечных элементов и модулей намного ниже потенциальных производственных возможностей. Этот факт связан со специ­фическими условиями все еще существующими в РФ, где факторы, стимули­рующие развитие производства и использования солнечных панелей, практиче­ски отсутствуют. А без такой поддержки возобновляемые источники энергии не выдерживают конкуренции с традиционными энергетическими ресурсами, в особенности с природным газом.

Даже в доисторические времена люди сознавали значимость энергии для своей жизни и поклонялись источникам света и высокой температуры как не­ким божествам. Солнечное излучение — самый важный источник возобновляе­мой и экологически чистой энергии, самый многообещающий источник на дол­госрочную перспективу. Вот почему такое большое внимание уделяется проб­лемам его использования.

Государства с развитой промышленностью, но с ограниченными собст­венными ресурсами энергии выделяют большие средства на исследования. По­ка солнечная энергетика не в состоянии успешно конкурировать с электростан­циями высокой производительности, сжигающими ископаемое топливо, с атомными электростанциями или с гидроэлектростанциями. Но она уже успеш­но используется как дополнительный местный источник энергии, и, как было упомянуто выше, ее значимость быстро растет.

Солнечные электростанции мощностью до несколько МВт уже были по­строены, и еще большее их число разрабатывается. На рис. 18.35 показана одна такая электростанция с установленной мощностью 115 кВт, смонтированная в штате Юта (США). На рис. 18.53 показана другая станция максимальной мощ­ностью 210 кВт, установленная в Калифорнии (США).

Солнечная энергия особенно важна для энергоснабжения территорий, удаленных от централизованных сетей электроснабжения, в особенности там, где построение таких сетей было бы экономически нецелесообразно.

Гидроэлектрическая энергия не всегда имеется под рукой в этих областях, а генераторы с двигателями внутреннего сгорания зависят от постоянных по­ставок бензина, дизельного топлива или сырой нефти.

Такая ситуация наиболее характерна для России. Здесь около 20 млн че­ловек проживают на территории, не обеспеченной централизованным энерго­снабжением, которая составляет две трети территории всей страны (рис. 18.109).

Низкое напряжение постоянного тока, приблизительно U «12+48 V, в принципе могло бы рассматриваться как неудобство, но не как принципиальное препятствие, так как для всех общеупотребительных электрических приборов (источники света, телевизоры, рефрижераторы, электродрели и т. д.) существу­ют версии с 12 24 вольтовым рабочим напряжением. Кроме того, напряжение постоянного тока (DC) может быть с помощью специальных электронных уст­ройств преобразовано в стандартное напряжение переменного тока (АС) с U = 220-230 В.

Другое неудобство, например, в том, что коэффициент использования ус­тановленной мощности солнечной электростанции составляет в лучшем случае 30 %, в то время как для топливных и ядерных станций, а также гидроэлектро­станций, эта величина составляет порядка 85%. Кроме того, колебания интен­сивности солнечного излучения (ночью, когда энергия больше всего необходи­ма, оно вообще отсутствует) также не являются серьезным препятствием. Правда, солнечное излучение не доступно по заказу, и не все дни являются солнечными (например, для центрально-европейских или российских условий). Однако долгосрочные наблюдения позволяют получить определенные средние значения солнечной радиации для различных регионов или областей, которые могут быть использованы при расчетах потенциальной выработки электроэнер­гии на солнечных станциях, размещаемых на этих территориях.

Сегодняшнее максимальное глобальное потребление электроэнергии могло бы быть обеспечено фотоэлектрическими панелями, покрывающими

территорию площадью 400×400 квадратных километров. Площадь пустыни Са­хара с идеальными условиями поступления солнечного света, по крайней мере, в 50 раз больше.

Уровень прихода солнечной радиации в некотором заданном районе в значительной степени определяет потенциал солнечной энергии.

Таблица 1.1. Количество солнечной радиации в Европе и странах Карибского бассейна, кВт-ч/м2 в день Месяц Южная Европа Центральная Европа Северная Европа Карибский регион Январь 2.6 1.7 0.8 5.1 Февраль 3.9 3.2 1.5 5.6 Март 4.6 3.6 2.6 6.0 Апрель 5.9 4.7 3.4 6.2 Май 6.3 5.3 4.2 6.1 Июнь 6.9 5.9 5.0 5.9 Июль 7.5 6.0 4.4 6.0 Август 6.6 5.3 4.0 6.1 Сентябрь 5.5 4.4 3.3 5.7 Октябрь 4.5 3.3 2.1 5.3 Ноябрь 3.0 2.1 1.2 5.1 Декабрь 2.7 1.7 0.8 4.8 ГОД 5.0 3.9 2.8 5.7

В таблице 1.1 (по материалам: http://air. Hc. bi:) представлены сравни­тельные данные по приходящей солнечной радиации в странах Южной, Цен­тральной и Северной Европы в сравнении со странами Карибского региона. Не­трудно заметить, что если в летние месяцы (июль) территории Южной и Цен­тральной Европы практически не уступают этим странам по количеству посту­пающей солнечной радиации на 1 м2 поверхности, то в зимние и даже в осенние месяцы разница более ощутима. Правда, годовое поступление солнечной энер­гии для стран Южной Европы почти в точности соответствует этому параметру для стран Карибского бассейна.

Это говорит о высоком потенциале солнечной энергии в Европе, что де­лает целесообразным и полностью оправданным курс на развитие масштабного использования энергии Солнца, в особенности путем фотоэлектрического пре­образования солнечного излучения в электричество. В мире имеется значитель­ное число пустынных территорий, например в Саудовской Аравии, Казахстане, Австралии, Мексике, Аризоне, Чили и т. д., где использование технологий фо­тоэлектрического преобразования весьма перспективно.

Неоднородность солнечного энергоснабжения может быть компенсиро­вана аккумуляторами — как классическими электрохимическими, так и осно­

ванными на накоплении энергии в форме водорода, производимого в результа­те электролиза воды. Водород в этом случае может транспортироваться в гер­метичных резервуарах под давлением или в сжиженном состоянии и использо­ваться в двигателях внутреннего сгорания с практически нулевой эмиссией уг­лекислого газа, или же для производства электроэнергии через электрохимиче­ские реакции в так называемых топливных элементах.

У небольших солнечных устройств есть еще одно преимущество — их транспортабельность. Они весьма полезны для мобильного применения, на­пример для кочевников или для мобильных научных экспедиций в отдаленных областях. Солнечные фотоэлектрические панели — самые эффективные источ­ники энергии на космических станциях и спутниках, движущихся по орбитам, близким к Солнцу.

Представляет интерес сравнительная оценка такого параметра, как интен­сивность приходящей солнечной радиации, для разных стран, в том числе для Чехии и России. Эти данные представлены на рис. 1.4- 1.6, а также на рис. 18.108 (для России).

На рис. 1.4 приведена карта Чешской республики с изолиниями, обозна­чающими значения средней годовой солнечной энергии, поглощаемой поверхно­стью Земли, наклоненной к югу под углом, соответствующим данной географи­ческой широте. В Чешской республике максимум энергии, поглощаемой в сол­нечный день в июле, составляет 6,8 кВт-ч-м’2 в день. Очевидно, что самая высо­кая интенсивность солнечного излучения находится в Южной Моравии с ее из­вестными виноградниками, и что самая низкая интенсивность наблюдается в го­рах вдоль национальных границ, где туман или плохая погода более вероятны.

Рис. 1.4. Распределение среднегодового количества поступающей солнечной радиации в Чешской республике на единицу поверхности, наклоненной на юг под углом, соответствующим географической широте Чехии (кВт ч-м~2 год’1) 18

В настоящее время фотоэлектрические технологии в Чешской республике используются достаточно широко. В Чехии имеется немалое количество сол­нечных станций, а в среднесрочной перспективе можно прогнозировать еще более интенсивное применение солнечных технологий. Понятно, что эти тех­нологии чаще должны применяться и в областях с более высокой интенсивно­стью солнечного излучения.

Тем не менее, одна четверть всех солнечных фотоэлектрических панелей, произведенных во всем мире, установлена в соседней с Чехией Германии, у ко­торой похожие условия.

Даже если учитывать тот факт, что эту тенденцию стимулируют немецкие правительственные субсидии, значимость этого обстоятельства нельзя недо­оценивать. Этот факт показывает, насколько немецкое общество признает на­стоящую и будущую важность солнечной энергетики.

Недавние прогнозы, подготовленные Мировым Энергетическим Советом (WEC), показывают, что после 2040 года, солнечная энергия будет наибольшим компонентом глобального производства энергии (рис. 18.3). Таким образом, очень важно не отстать в этой области, хотя положительные и отрицательные моменты влияния применяемых субсидий на экономику могли бы быть предме­том длительных детальных обсуждений.

Рисунок 18.1 (см. главу 18) показывает распределение падающей солнеч­ной энергии в глобальном масштабе. Здесь мы можем видеть, что области с наи­большей интенсивностью солнечного излучения — упомянутые выше пустыни, где средние значения для радиации, поступающей на единицу земной поверхно­сти, наклоненной к югу под углом, соответствующим географической широте, намного выше, чем в Чешской республике. Самые высокие значения обычно на­блюдаются в одной области, в Аризоне, где ежегодная средняя величина посту­пающей солнечной энергии превышает 7 кВт ч м"2 в день.

Сравнение указанных величин с измеренными в Чешской республике пока­зывает, что средние значения в Аризоне выше максимумов, полученных в Чеш­ской республике. Таким образом, вполне логичным представляется тот факт, что использование солнечной энергии намного популярнее в Аризоне, чем в Чехии.

На рис. 1.5 представлены аналогичные данные для территории Китая. Из рассмотрения этого рисунка нетрудно увидеть, что Тибет представляется наибо­лее перспективной территорией для установки солнечных фотоэлектрических систем в Китае. Здесь среднегодовые значения солнечной радиации, падающей на единицу земной поверхности, являются наиболее значительными в мире. Холод­ная погода доминирует, фотоэлектрические панели не перегреваются, и прямая солнечная радиация превалирует над рассеянной.

Приведенные на рис. 1.6 аналогичные данные для территории США пока­зывают, что Соединенные Штаты Америки имеют огромный потенциал сол­нечной энергии. На большей части территории США уровень падающей сол­нечной радиации значительно превышает аналогичные параметры для, напри­мер, Чехии, а Аризона — штат с максимальными значениями падающей солнеч­ной радиации. Поэтому представляется совершенно естественным, что в США солнечные панели используются чрезвычайно широко, а строительство солнеч­ных станций идет самыми высокими темпами.

Рис. 1.5. Распределение среднегодового количества поступающей солнечной радиации по территории Китайской Народной Республики на единицу поверхно­сти, наклоненной на юг под углом, соответствующим географической широте Китая (кВт ч м ~2 год ~1)

Рис. 1.6. Изолинии среднего годового количества солнечной энергии, поступающей на единицу поверхности Земли, наклоненной на юг под углом, соответствующим географической широте в США (кВт ч м~2 год ~1)

К новым технологиям часто относятся с недоверием. В прошлом первые автомобили, паровые двигатели и другие изобретения рассматривались как лю­бопытные курьезы. Совсем недавно мир компьютеров и мобильных телефонов трудно было представить. Сегодня мы просто не в состоянии рассматривать со­временный мир без этих технологических достижений. Использование солнеч­ной энергии больше не любопытный курьез; напротив, использование солнеч­ной энергии занимает все более и более важное положение в технологическом развитии.

На рис. 18.107 приведены данные о темпах развития различных возоб­новляемых источников энергии, которые показывают, что наиболее высокие темпы роста демонстрируют солнечные электростанции, связанные с сетями энергоснабжения. По-видимому в России такая ситуация ожидается не скоро. Наиболее вероятным сценарием развития фотоэнергетики в Российской Феде­рации является развитие автономных систем электроснабжения для замещения ныне действующих дизель-генераторных установок.

Большой интерес у читателя, безусловно, вызывает вопрос о том, какой же потенциал солнечной энергии имеется в Российской Федерации. Ведь до по­следнего времени было принято считать, что Россия холодная страна, и потен­циала для экономически оправданного применения возобновляемых источни­ков энергии здесь недостаточно. В то же время очевидно, что для ряда регионов России такие утверждения совершенно неприменимы. К примеру, субъекты РФ, такие как Бурятия, Калмыкия, Якутия, имеют значительное число солнеч­ных дней в году, а низкие температуры в некоторых из них только способству­ют более эффективному функционированию фотоэлектрических модулей. Это легко можно видеть из рассмотрения карт распределения по территории Рос­сийской Федерации приходящей солнечной радиации, полученные из разных источников (приведены на рис. 18.108). Особенно удобно рассматривать дан­ные о распределении солнечной радиации по территории РФ по карте, постро­енной по данным NASA в формате, аналогичном формату, использованному в рисунках, рассмотренных выше (рис. 1.7).

При сопоставлении всех вышеуказанных рисунков можно обнаружить некоторые несоответствия приводимых на разных картах данных. Возможно, это связано с различной методикой проведения экспериментов. Однако совер­шенно очевидно, что долго бытовавшее мнение о неприемлемо низком уровне солнечной радиации на территории России не вполне соответствует реальному положению дел.

Если сравнить данные по уровню солнечной радиации в Чешской Рес­публике (рис. 1.4) и в Российской Федерации (рис. 1.7), то нетрудно заметить, что РФ обладает более высоким потенциалом солнечной энергии на значитель­ной своей территории. В то же время количество построенных и действующих в Чехии солнечных станций существенно превышают потенциал СЭС в России. Поэтому можно сделать вывод о том, что причиной такого положения является отнюдь не скудность природных ресурсов.

Потенциал солнечной энергии в ряде регионов России вполне достаточен для создания в стране конкурентоспособной солнечной энергетики.

Рис. 1.7. Распределение уровня приходящей солнечной радиации по территории России (Построено по данным/http://www. hevelsolar. com/solar/)

Из приведенных данных видно, что более 60% территории России, вклю­чая многие северные районы, характеризуются существенными среднего­довыми поступлениями солнечной радиации (3,5 — 4,5 кВт-ч/м2 в день). Наибо­лее «солнечными» являются регионы Дальнего Востока и юга Сибири (4,5 — 5,0 кВт-ч/м2 в день). А большая часть Сибири, включая Якутию, по среднегодо­вому поступлению солнечной радиации относится к той же зоне, что и районы Северного Кавказа и Сочи (4,0 — 4,5 кВт-ч/м2 в день).

Территория Россия протянулась с Юга на Север от 41 до 82 градусов се­верной широты. Поэтому вполне естественно, что уровни солнечной радиации в ее северной и южной части существенно различаются, от примерно 800 на Севере, до более чем 1400 кВт ч/м2 в год на Юге. Естественно, что эти парамет­ры подвержены сезонным колебаниям. К примеру, на широте 55 градусов уро­вень солнечной радиации может составлять чуть более 1,5 кВт ч/м2 в день в ян­варе и более 11,0 кВт-ч/м2 в день в июле.

Используя данные Института Энергетической стратегии, валовой потен­циал солнечной энергии можно оценить величиной, составляющей более I 600 000 млн тонн нефтяного эквивалента (т н. э.), технический как 1600, а эко­номический 8,75 млн т н. э. В некоторых районах Западной и Восточной Сибири и на некоторых территориях Дальнего Востока годовая солнечная радиация может даже превосходить значения этого параметра для самых солнечных юж­ных регионов России.

Актуальность расширения использования ВИЭ в России обусловлена сле­дующими причинами [61].

1. Централизованные системы энергоснабжения охватывают лишь 1/3 территории страны. Около 20 млн. человек проживает в зонах без централизованного энергоснабжения.

2. Около половины административных районов энергодефицитны (им­портируют энергоресурсы из других регионов).

3. Газифицировано лишь около 50% населенных пунктов.

4. Экология многих районов, особенно рекреационных зон, нуждается в существенном улучшении.

5. Цены и тарифы на топливо и энергию в России неуклонно и быстро растут, последовательно приближаясь к мировым.

6. Энергетика — крайне инерционная сфера экономики. Освоение новых энергетических технологий занимает десятилетия. Нужна заблаго­временная подготовка к изменению структуры энергетического хо­зяйства.

Приведенные аргументы в пользу развития ВИЭ в России вполне убе­дительны. Вместе с тем это направление развивается крайне медленно. В чем причина? А это целый комплекс факторов. К основным барьерам, ограни­чивающим широкое коммерческое использование ВИЭ в стране, можно отне­сти [61]:

1. Физические: недостаточно высокая плотность и, главное, нестабиль­ность (суточная, сезонная, годовая) энергетических потоков: солнечная энергия — в среднем 150 — 250 Вт/м2, максимум 1 кВт/м2, энергия вет­ра — 500 Вт/м2 при v=10 м/с, гидроэнергия — 500 Вт/м2 при v = 1 м/с.

2. Технологические: многие технологии использования ВИЭ все еще на­ходятся в стадии разработки и совершенствования.

3. Экономические: как следствие пп. 1 и 2 требуются повышенные затра­ты на приемники и аккумуляторы энергии.

4. Институциональные: новые технологии требуют, как правило, серьез­ной законодательной, нормативной и финансовой господдержки на стадии разработки, которая в России в отличие от других стран недо­статочна.

5. Информационные: слабая информированность потенциальных потре­бителей о преимуществах и возможностях использования ВИЭ, малое число демонстрационных объектов в регионах страны.

6. Психологические и др.

К технологиям использования солнечной энергии, имеющим уже сегодня широкие ниши экономически эффективного применения в регионах России, можно отнести следующие.

1. Солнечное горячее водоснабжение сезонное и/или круглогодичное (на всей территории России вместо электроводонагревателей) и другие низкопотенциальные тепловые технологии с использованием солнеч­ных коллекторов (сушка, обогрев и т. п.).

2. Автономное и резервное электроснабжение слаботочных потребителей с помощью ФЭП (ретрансляторы сотовой связи, мониторинговые станции, системы автономной связи, аварийная сигнализация, сиг­нальные огни, освещение и Т. П.).

3. Солнечные сорбционные холодильные установки (вне электрических сетей).

Сегодня ситуация в России демонстрирует положительные тенденции. Так, например, по информации прессы в планах РОСНАНО и Группы компа­ний «Ренова» предусматривается организовать выпуск 120 МВт/год солнечных панелей. В 2008 г. «Нитол» освоил производство 300 т в год поликристалличе­ского кремния, который может быть использован при производстве солнечных батарей.

Глава 2

Уважаемый читатель, Вы открываете книгу, в которой рассматривается про­блема использования солнечной энергии путем фотоэлектрического преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Она подготовлена совместно спе­циалистами из Чехии (компания Poulek Solar Ltd и Инженерный Факультет CULS, Прага) и России (Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства). В этой книге сделана попытка познакомить вас с актуальными проблемами фотоэлек­трического преобразования солнечной энергии. Авторами собран и обобщен матери­ал многолетних исследований в данной области.

Мы рады возможности дополнить существующую техническую литературу еще одной книгой, предназначенной для ознакомления широкого круга заинтересо­ванных лиц с проблемой использования этого важного возобновляемого источника, в том числе и не являющихся специалистами в этих вопросах.

В значительной степени книга базируется на результатах собственных исследо­ваний авторов и их коллег, но существенно дополнена информацией, касающейся как общемирового состояния проблемы фотоэлектрического преобразования солнечной энергии, так и ситуации в России, из других источников.

В книге рассматриваются физические основы процессов, связанных с фото­электрическим преобразованием солнечного излучения, приводится информация о работах по созданию солнечных фотоэлектрических систем и их применению на практике, проводимых в России и за рубежом в течение длительного периода. Ретро­спективный подход позволяет проследить историю развития и становления фотоэнер­гетики во всем мире.

Прошло уже более сотни лет с начала важных эпохальных физических откры­тий. Физика как фундаментальное естествознание — является основой для большинст­ва технических направлений, и ни один инженер не может обойтись в своей творче­ской работе без знания основ этой науки. Как наука физика содержит идеи самой вы­сокой степени абстракции, которые посредством технических решений делают нашу жизнь более содержательной и более приятной.

Производство энергии — важная отрасль экономики всех государств. Потреб­ление энергии (так же, как цены на нее) будет расти и в будущем. Человечество прошло длинный путь прогресса от использования энергии его собственного мета­болизма и силы мускулов, через эксплуатацию энергии животных, воды, ветра до самых современных и технически чрезвычайно сложных систем в атомных элект­ростанциях.

Однако источники энергии, используемые до настоящего времени, невозоб­новляемы и со временем будут исчерпаны. Рано или поздно человечество окажется перед проблемой их замены. Новые технологии использования энергетических, ре­сурсов и особенно возобновляемых ресурсов, становятся поэтому предметом особо­
го внимания правительств многих государств, включая Чешскую республику и Рос­сийскую Федерацию. Широкомасштабное использование солнечной энергии пред­ставляется одним из возможных и, по-видимому, наиболее перспективных путей решения проблемы.

Большое число выдающихся физиков прямо или опосредованно внесли свой вклад в развитие эффективных технологий производства энергии. Здесь мы упомянем только некоторых из них, поскольку представить весь спектр ученых мирового уров­ня не представляется возможным.

Уже очень давно Александр Вольта создал первый пригодный к употреблению источник электричества, а Майкл Фарадей сформулировал закон, на принципе кото­рого электроэнергия в настоящее время производится в генераторах современных электростанций. Джеймс Уатт построил паровой двигатель, использование которого ознаменовало начало промышленной революции.

Сегодня трудно перечислить всех выдающихся ученых прошлого и нынешнего времени, которые внесли заметный вклад в развитие современной науки и техники. Прежде всего, это относится к двадцатому столетию, в котором естественные науки и технические разработки развивались особенно бурно.

Макс Планк (1858 — 1947) разработал основы квантовой механики, которая стала краеугольным камнем современной физики. В 1918 году за свои научные изы­скания он был удостоен Нобелевской премии. Нельзя не упомянуть и работы авст­рийского физикатеоретика Эрвина Шредингера (1887 — 1961) и немецкого физика — теоретика Вернера Гейзенберга (1901 — 1976), которые явились генераторами разви­тия новых тенденций в физике своего времени и, по сути, провозгласили новый век — век квантовой механики. Альберт Эйнштейн (1879 — 1955) стал известен бла­годаря своим открытиям в области теории относительности, квантовой механики, статистической физики. Он занимался также проблемами использования ядерной энергии, открыл фотон — частицу, которая является носителем энергии излучения. Еще в 1921 году за открытие внешнего фото-ээффекта он был удостоен Нобелевской премии. Энрико Ферми (1901 — 1954) был удостоен Нобелевской премии в 1938 году за открытия в области ядерной физики, а в 1942 году он построил первый ядерный реактор в США.

Указанный перечень великих ученых дале­ко не полон. Можно было бы достаточно долго продолжать список ученых разных стран, чьи фундаментальные научные труды в области фи­зики легли в основу современного представления о физических принципах преобразования солнеч­ного излучения в электрическую энергию. Отме­тим и тот факт, что заметный вклад в развитие со­временной теории и практики фотоэлектричества внесли и российские ученые. Их достаточно мно­го. Упомянем только тех, кто, по мнению авторов, выполнил работы, наиболее близкие к проблемам получения и практического использования фото­электрических преобразователей энергии Солнца.

Патриархом современной российской фи­зики, безусловно, был А. Ф. Иоффе (1880 — 1960). Ученик знаменитого Рентгена, основа­тель Петербургского (Ленинградского) Физико-технического института РАН, он стал основателем и зачинателем многих направлений физической науки в России. Трудно переоценить его роль в развитии науки о фотоэлектрическом преоб­разовании солнечного излучения. Именно в руководимом им институте впервые удалось получить электрический ток с помощью фотоэффекта в 30-е годы XX сто­летия с использованием созданных в институте сернисто-таллиевых элементов с КПД около 1%.

Л. Д. Ландау (1908 — 1968) ~ гениальный физик-теоретик, легендарная фигура в истории российской и мировой науки. Квантовая механика, физика твердого тела, магнетизм, физика низких температур, физика космических лучей, гидродинамика, квантовая теория поля, физика атомного ядра и физика элементарных частиц, а также физика плазмы — это те области, где им получены научные результаты, имеющие ог­ромное значение для развития теоретической базы фотоэлектричества. Про него, лау­реата Нобелевской премии, говорили, что в «огромном здании физики XX века для него не было запертых дверей».

Огромную роль в развитии науки о фотоэлектричестве и особенно в практиче­ском применении фотоэлектрических преобразователей в России сыграл член-кор­респондент РАН Н. С. Лидоренко. Его научная деятельность связана с работами в об­ласти физики и технологии производства электричества из химической, ядерной, сол­нечной и тепловой энергии, физики и технологии молекулярной электроники. Яв­ляясь руководителем Научно-производственного объединения «Квант» с 1950 по 1986 год, Н. С. Лидоренко совместно с рядом талантливых сподвижников внес ре­шающий вклад в обеспечение всех космических программ страны источниками пита­ния на основе фотоэлектрических преобразователей.

Н. С. Лидоренко Ж. И. Алферов

Значительный вклад в развитие теории и практики фотоэлектричества внес академик РАН Ж. И. Алферов, под руководством которого работы по фотоэлектриче­ству получили развитие в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе (Санкт- Петербург). Комплекс работ руководимого им в течение многих лет коллектива в об­ласти получения и практического применения гетероструктур соединений АШВУ, в том числе и при создании высокоэффективных каскадных фотоэлементов, получили высокую оценку научного сообщества. Сам Ж. И. Алферов был удостоен Нобелевской премии.

Широко известны мировой научной общественности имена таких российских ученых в области фотоэлектричества, как Д. С. Стребков, М. М. Колтун, А. П. Ланд- сман, В. М. Андреев, В. М. Евдокимов и многие другие.

Успехи в области исследований и разработок новых фотоэлектрических преоб­разователей и развития их производства немыслимы без прочной основы — полупро­водникового материаловедения. Среди российских ученых можно упомянуть целый ряд крупнейших специалистов в этой области. Необходимо отметить, к примеру, ака­демика РАН Ф. А. Кузнецова, многие годы руководившего Институтом Неорганиче­ской химии СО РАН, члена-корреспондента АН СССР А. Ю. Малинина, руководив­шего крупнейшим объединением «НПО Научный центр», которое в настоящее время носит его имя, профессоров С. С. Горелика, М. Г. Мильвидского, Л. С. Иванова и др.

Мы полагаем, что тот, кто открыл эту книгу, хорошо образован в области есте­ственных наук и технологий. Это не учебник по физике, и мы исходим из того, что общие физические принципы читателю знакомы. Книга призвана привлечь широкий

круг читателей, интересующихся вопросами фотоэлектрического преобразования солнечного излучения. Она написано в неформальном стиле и должна заинтересовать и тех читателей, которые только начинают ознакомление с данной проблемой. Боль­шой объем иллюстративного материала, несомненно, окажется полезным читателю. Книга предназначена также для студентов и аспирантов ряда агроинженерных и энер­гетических специальностей и будет полезна им в качестве учебного пособия при изу­чении курса «Возобновляемая энергетика».

В заключение мы хотели бы отметить, что прогноз на будущее для солнечной энергетики не является абсолютно беспроблемным. К сожалению, хорошие идеи не всегда легко реализуются. Развитие солнечной энергетики находится в зоне риска в связи с вопросами прибыльности. Известно, что определенные, достаточно влиятель­ные круги мало заинтересованы в развитии этой отрасли энергетики и даже пытаются сдерживать ее развитие. Эти проблемы часто обсуждаются негласно в кулуарах кон­ференций по фотоэлектричеству.

Однако, будучи оптимистами, авторы твердо верят, что в интересах всего чело­вечества, во имя обеспечения устойчивого развития мировой экономики эта отрасль будет развиваться. Этот оптимизм подтверждается и тем, что идея внедрения возоб­новляемых источников энергии, в том числе и энергии Солнца, находит все больше и больше приверженцев, в том числе и в высших руководящих кругах всех стран. И Россия в этом плане не является исключением. Последние годы развития экономики страны это убедительно показывают. Меняется отношение к данной проблеме и у ру­ководства страны. Именно по распоряжению Правительства РФ впервые была орга­низовала российская экспозиция на Международной выставке InterSolar Europe 2012, прошедшей в июне 2012 года в Мюнхене (Германия). Организованные Министерст­вом энергетики с привлечением ведущих специалистов выставочный стенд и Круглый стол вызвали живой интерес значительного числа участников выставки. Планируется и дальнейшее участие России в подобных мероприятиях. Все больше мощностей, ос­нованных на фотоэлектрических модулях, вводятся в эксплуатацию и в России. И да­же при обилии традиционных энергетических ресурсов Россия уже в ближайшем времени окажется в одном ряду с высокоразвитыми странами в вопросах использова­ния ВИЭ в целом и солнечной энергии в частности.

В книге приводится обширный статистический материал, а также большой объем иллюстративного материала, который поможет читателю глубже проникнуть в рассматриваемую проблему. Книга окажется полезной также студентам, аспирантам и специалистам самых разных энергетических и агроинженерных специальностей в ка­честве учебного пособия.

Авторы желают читателям приятного времяпрепровождения за чтением этой книги и пользы от приобретения новых знаний в новой и интересной отрасли.

Прага — Москва, 2013 г.

Авторы