Солнечные батареи

Говорить о надвигающемся на человечество кризисе энергетических и минеральных ресурсов уже давно стало привычным делом. Однако, все оценки на этот счет исходят из предполагаемого роста населения Земли. Если же экстраординарные меры против бурного размножения человечества не будут приняты, то, согласно данным Организации Объединенных Наций к началу XXII века (после 2100 года) население Земли достигнет 11,5 миллиардов человек (сегодня - вполовину меньше)!

Предположим, что уровень потребления земных ресурсов к тому времени сравняется с нынешним американским (видимо, это не так уж невероятно через 100 лет). В таком случае будущее наших даже ближайших потомков вырисовывается просто ужасающим. Если при нынешнем темпе потребления нефти ее известных запасов, как считают ученые хватит на 40 лет, то при “американском” темпе спустя век, - всего на 7 лет. Угля, считаем, хватит на 220 лет, а через 100 лет его хватило бы лишь на 30 лет. Меди имеем на 40 лет, а через 100 лет- на 4 года. Цинка - вместо 20 лет – на 3 года и т.д. и т.п. Не говорим уже о продовольствии и пресной воде.

Как же быть? Выход один - искать новые высокоэффективные источники энергии, не зависящие от наших планетарных ресурсов, и, что немаловажно, экологически чистые. Можно конечно, уповать на то, что за 100 лет люди чему-нибудь научатся. Но как представляется и сейчас уже не рано думать об этом.

Атомная и термоядерная энергетика, конечно, были бы очень хороши, если бы не события, подобные Чернобылю и если бы люди научились управлять термоядерной реакцией (что уже много лет никак не получается). Остается надеяться на помощь космоса.

Имеется в виду бескрайнее море солнечной энергии, разливающейся по космическому пространству, которую можно было бы в принципе как-то концентрировать и отправлять на Землю. Согласно одному из предварительных проектов эту задачу могли бы выполнить искусственные спутники Земли, несущие солнечные батареи подобные используемый ныне на российской орбитальной станции Мир.

Идея спутников с солнечными батареями ненова. Она была высказана в 1968 году и запатентована в 1973. Однако проработки проекта выполненные в конце 70-х - начале 80-х годов показали явную экономическую нецелесообразность его осуществления. Но в последующие годы благодаря повышению эффективности солнечных батареи и открывшейся возможности сравнительно дешевых запусков с помощью российских ракет идея обрела экономический смысл.

Разумеется батареи на спутниках должны иметь гигантские размеры. Сейчас самая большая конструкция на орбите - космическая станция Мир. Она имеет длину 24 метра и вес более 100 тонн. Спутник же способный сконцентрировать на своих батареях и отправить на Землю энергию достаточную для нагрева 5 миллионов бытовых электрических печей (крупная атомная электростанция обогревает лишь 1 миллион печей! должен иметь размеры порядка 10 километров длины и 3 километра ширины). Такая конструкция, даже изготовленная из сверхлегких материалов, будет весить многие сотни тонн. Запустить ее на орбиту, конечно, будет очень трудно.

Принцип работы спутника с солнечными батареями сводится к тому, что солнечный свет падает на плоскую поверхность батареи, сложенную из полупроводниковых элементов и в полупроводниках возникает электрический ток, перетекающий с освещенной стороны батареи на затемненную. В электрический ток преобразуется от 5 до 10 процентов солнечной энергии. Это, конечно, мало. Внушают оптимизм новые полупроводники из соединений галлия и арсенида, которые повышают этот процент до 40.

Теперь как передать полученную электроэнергию на Землю? Предлагается использовать микроволновое излучение, всем знакомое по бытовым микроволновым печам. Микроволны - это электромагнитное излучение подобное видимому свету, но со значительно большей длиной волны - от одного миллиметра до одного метра. Микроволновое излучение проходит через земную атмосферу с минимальными потерями энергии - в хорошую погоду теряется всего 2 процента.

Это излучение впервые использовалось в радиолокаторах в годы Второй мировой воины. В послевоенные десятилетия устройства, преобразующие электрический ток в микроволновое излучение значительно усовершенствовались. Экспериментальные системы сегодня уже преобразуют ток в микроволны, которые поступают от излучающей антенны к приемной и в ней вновь превращаются в электрический ток. При этом сохраняется 60 процентов энергии.

Система спутников с солнечными батареями должна будет иметь несколько сот генераторов микроволнового излучения. Они будут работать на орбитальную антенну диаметром 1 километр. От нее излучение пойдет на наземную приемную антенну размерами тоже немалыми - 10 на 13 километров. Есть проект соорудить такую конструкцию на плавучем основании в океане. Тепло от нее будет нагревать воду и появится возможность разводить под этим сооружением рыбу, причем в количестве до 5 процентов от всей рыбы потребляемой в США.

Микроволновое излучение с космической орбиты будет узконаправленным так, что оно не представит опасности для здоровья людей. Даже, если все энергопотребление Соединенных Штатов Америки покроется спутниками с солнечными батареями, микроволновая радиация не выйдет за пределы существующих допустимых норм. Подобная система по расчетам специалистов, может появиться на космической орбите примерно к 2030 году.

В дополнение к сказанному можно добавить, что спутник с солнечными батареями может быть выведен на геостационарную орбиту (с тем чтобы он постоянно находился над одним и тем же местом на Земле) на высоту 36 километров. Этот спутник будет перерабатывать солнечную энергию практически круглый год и направлять ее на одну и ту же наземную приемную антенну. Отсюда электрический ток уже пойдет к потребителям.Таких комплексов "Космос-Земля'' может быть сколько угодно.

Солнечная батарея - батарея солнечных элементов, полупроводниковый фотоэлектрический генератор, непосредственно преобразующий энергию солнечной радиации в электрическую. Действие солнечных элементов (СЭ) основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта. Первые СЭ с практически приемлемым кпд преобразования (~6%) были разработаны Г. Пирсоном, К. Фуллером и Д. Чапиным (США) в 1953-54. Большой вклад в развитие теории и практики СЭ внесли В. С. Вавилов, А. П. Ландсман, Н. С. Лидоренко, В. К. Субашиев (СССР); М. Вольф, Дж. Лоферский, М. Принс, П. Рапопорт (США).

Энергетические характеристики С. б. определяются полупроводниковым материалом, конструктивными (структурными) особенностями СЭ, количеством элементов в батарее. Распространённые материалы для СЭ - Si, Ga. Наиболее высокий кпд получен в СЭ из Si со структурой, имеющей электронно-дырочный переход (15% при освещении в земных условиях), и в СЭ на основе GaAs с полупроводниковым гетеропереходом (18%).

Конструктивно С. б. обычно выполняют в виде плоской панели из СЭ, защищенных прозрачными покрытиями. Число СЭ в батарее может достигать нескольких сотен тыс., площадь панели - десятков м² ,напряжение - десятков В, генерируемая мощность - нескольких десятков кВт (в космических условиях). Достоинства С. б. - их простота, надёжность и долговечность, малая масса и миниатюрность СЭ, генерирование энергии без загрязнения окружающей среды; основной недостаток, ограничивающий развитие солнечной фотоэнергетики, - их пока ещё (середина 70-х гг.) высокая стоимость.

Главное применение С. б. нашли в космонавтике, где они занимают доминирующее положение среди др. источников автономного энергопитания. С. б. снабжают электроэнергией аппаратуру спутников и системы жизнеобеспечения космических кораблей и станций, а также заряжают электрохимические аккумуляторы, используемые на теневых участках орбиты. В земных условиях С. б. используют для питания устройств автоматики, переносных радиостанций и радиоприёмников, для катодной антикоррозионной защиты нефте- и газопроводов. В СССР, США и Японии работают маяки и навигационные указатели с энергоснабжением от С. б. и автоматически подзаряжаемых ими буферных аккумуляторов.

Автор: Ирина Белюченко

11 класс МОУ Гимназия № 5 г. Юбилейный Московской обл.

Опубликовано: 31 мая 2004 г.

 Доклад на конференции "Физика и научно-технический прогресс"