Одним из конкуренто-способных энергоносителей в скором времени станет солнечная энергия. Это особенно относится к развивающимся странам Африки и Азии, за счёт которых в основном и увеличивается народонаселение планеты и где налицо самые подходящие условия для использования энергии солнца в смысле продолжительности и интенсивности облучения. Однако даже в климатических условиях «туманной» Германии внедрение солнечных установок идёт нарастающими темпами. Здесь принята так называемая общегерманская Программа сто тысяч «солнечных крыш». При этом в отличие от прежних солнечных установок с коллекторами – абсорберами, состоящими из множества вакуумированных трубок, частично заполненных легкоиспаряющейся жидкостью, в новых солнечных системах используется так называемый фотоэффект Иоффе – Беккереля.Этот эффект основан на следующем физическом процессе. Луч света, попадающий на полупроводниковый элемент, высвобождает из кристаллической решётки электроны, которые дрейфуют к освещаемой поверхности кристалла и создают там «электронное напряжение».

Для рационального съёма этого напряжения отдельные кристаллы объединяются металлическими контактами в «модульную» сеть, обеспечивающую подачу полученной электроэнергии к потребителю. Такая новая технология не требует таким образом ни высокой температуры, ни циркуляции нагретых потоков жидкости, как это было при применении прежней технологии в виде коллекторов – абсорберов с вакуумированными трубками. Она бесшумна, соответствует самым высоким требованиям экологии, поскольку избавлена от вредных выбросов в атмосферу и может найти применение в автономных децентрализованных установках.

В качестве исходного материала для изготовления солнечных батарей используются такие кристаллические полупроводники, которые при низких температурах являются электроизоляторами, а при нагревании или при облучении становятся электропроводниками. К числу таких полупроводников относятся германий и кремний (Si). Последний составляет, как известно, основную часть кварцевого песка. Из такого широко доступного материала изготавливаются солнечные микроэлементы. Сверху такой микроэлемент имеет переднюю контактную решётку, опирающуюся на «антирефлексный» слой, под которым расположен первый полупроводниковый кремниевый слой. Ниже размещаются переходный и второй полупроводниковый слой, укреплённый на металлическом опорном листе, соединённом с передней контактной решёткой. Когда на такой микроэлемент попадает луч света, образуется электрическое поле, в результате которого возникает напряжение 0,5 В. Из подобных микроэлементов собираются мультикристаллические ячейки размером 12,5х12,5 см и толщиной в 350 мкм. Микроэлементы изготавливаются из жидкого кремния, разливаемого в блоки, которые затем разрезаются на тонкие слои. Из элементов размером 12,5?12,5 см собираются солнечные «модули» номинальной мощностью 50, 70 и 100 Вт.

Соответствующий набор подобных «модулей» образует солнечный генератор мощностью от 550 до 3000 Вт. Такие солнечные генераторы для защиты от осадков и ветра покрываются высокопрочным стеклом и укрепляются алюминиевой рамой. Эффект действия подобных солнечных модулей столь существенен, что даже при облачной погоде и при рассеянном облучении получается ощутимый электрический ток. Исследования показали, что до 15% солнечной энергии, падающей на модульную батарею, преобразуется в электрический ток. Полученный в солнечных модулях постоянный электроток преобразуется потом в переменный, а в трансформаторе его напряжение повышается до 230 В. Затем за дополнительную и совсем необременительную плату полученный электроток поступает в домовую сеть. По данным фирмы Wagner Co, солнечный модуль площадью 20 м2 обеспечивает ежегодно 1700 кВт•ч электроэнергии, что достаточно для поддержания домашнего хозяйства, оснащённого энергосберегающими электроприборами. При этом, естественно, на летний период приходится всей извлекаемой солнечными модулями энергии. Так например, по данным той же фирмы Wagner Co, удельный энергосъём в январе составляет 0,5 кВт•ч с 1 м2 в день, а в июне – июле достигает 5,2 кВт•ч/м2 в день. При этом в облачные дни количество извлекаемой от солнечных модулей энергии сокращается более, чем втрое. По данным исследований, рассеянное излучение составляет для региона Средней Германии 2,9 кВт•ч/м2 в день, а в годовом исчислении достигает 1045 кВт•ч/м2 вгод.

Солнечные модули устанавливаются на облучаемой незатенённой стороне, направленной на южную или юго-западную (реже юго-восточную) сторону под углом от 15 до 600 к горизонту. Для более полного улавливания солнечного облучения разработано автоматическое устройство, где круглая опора, на которой укреплён солнечный модуль, автоматически поворачивается в двух направлениях. Иначе говоря, эта опора «следит» за перемещением солнечного луча, направляя плоскость модуля всё время перпендикулярно направлению солнечного потока. В результате облучение растягивается до 15 часов и съём энергии возрастает в 4 – 5 раз. Для сглаживания суточных или недельных колебаний, поступающих от модулей энергии, применяют аккумуляторы соответствующего объема, подключаемые через загрузочный регулятор, который автоматически регулирует перегрузку и недогрузку аккумулятора.

Солнечные модули могут быть использованы в многочисленных вариантах как для зданий так и для транспортных устройств типа моторных лодок и т.п. Их применяют в качестве автономных генераторов энергии на нефтедобывающих платформах на морском шельфе, на заправочных станциях и даже для энергоснабжения затерянных в саванне африканских посёлков и монгольских стойбищ. В Германии в г. Гельзенкирхен в ноябре 1999г. фирмой Shell открыта фабрика по производству описанных выше солнечных модулей. Эллипсовидное здание Управления этой фабрики и шедовые покрытия производственных корпусов выполнены из таких модулей (рис.4а). Площадь здания Управления размерами в плане 83х47 м и высотой до 12 м составляет 3900 м2. По инженерным расчётам, солнечные модули на эллипсном покрытии корпуса ежегодно обеспечат получение 100 тыс.кВт/ч электроэнергии. Промышленные цеха рассчитаны на производство до 5 миллионов солнечных модулей в год суммарной мощностью до 10 МВт, что позволит оснастить 200 тысяч «солнечных» домов в год для развивающихся стран. В дальнейшем планируется расширить производство солнечных модулей до 13 млн в год общей мощностью 25 МВт, что позволит обеспечить энергией 7000 усадебных домов, рассчитанных на семью из четырех человек. Разрабатываются проекты по оснащению солнечными системами 50 тысяч индивидуальных жилищ в Южной Африке и до 100 тысяч в Монголии и Китае.

В самой Германии запроектированы сельские и городские посёлки, полностью оборудуемые солнечными системами. Так в Земле Северный Рейн – Вестфалия строится посёлок из 48 усадебных двухэтажных хорошо утёплённых домов с энергетической потребностью 60 кВт•ч на 1 м2 площади, в том числе 11 сблокированных домов с так называемым пассивным использованием солнечной энергии, тепловая нагрузка которых снижена до 15 кВт•ч/м2. Для сравнения заметим, что расход энергии на отопление, горячее водоснабжение и домашнее хозяйство подобных домов составляет в среднем 290 кВт•ч/м2. В новом посёлке сблокированный пятьнадцтиквартирный дом обустраивается солнечными модулями общей площадью 550 м2, что обеспечивает получение энергии в объёме 160 тыс. кВт•ч, которая накапливается в большом резервуаре объёмом 1800 м3 и через теплосеть подаётся к 29 домам, обеспечивая 42% их потребности в отоплении и горячем водоснабжении. Предполагается, что в будущем в таком посёлке с эффективно утеплёнными домами с тройным остеклением окон с помощью солнечных модулей будет обеспечено 40% электропотребления всеми домашними электроприборами, включая приготовление пищи, и до 65% теплопотребления на отопление и горячее водоснабжение.

В этой же Земле Северный Рейн – Вестфалия планируется строительство ещё 50 подобных «солнечных» посёлков. Характерно, что для закрепления солнечных модулей на крышах домов могут быть использованы традиционные черепичные кровли. Так на кровле здания местного самоуправления площадью 50 м2 установлено 770 модулей общей мощностью 3,5 кВт. В дальнейшем проектом предусматривается на общей кровле семи сблокированных домов усадебного типа устройство общего солнечного модуля общей площадью 2700 м2 мощностью 16,5 кВт.

Наряду с этим в этой же Земле Германии в г.Херне полным ходом идёт строительство здания Академии высшего образования, энергоснабжение которого будет обеспечено с помощью солнечных модулей. В корпусе здания длиной 180 м, шириной 72 м и высотой 16 м под одной стеклянной крышей, оснащённой описанными выше солнечными модулями с моно- и поликристаллическими элементами, будут размещены учебный центр, библиотека, бюро, помещения отдыха и рекреации, а также отель. Основным источником энергии будет аккумулированная в батареях солнечная энергия, и лишь для покрытия пиковых нагрузок будет подключаться действовавшая ранее газовая котельная. В качестве солнечных абсорберов используются пять различных типов модулей, ступенчато размещаемых на крыше (рис. 4б). Отдельная секция вставлена в раму, герметизированную слоем высокопрочной резины толщиной 2мм, между двух слоёв специального стекла: внешний слой толщиной 4 мм, а внутренний – 8мм. Такое стекло обладает избирательной способностью передавать солнечную энергию в спектре кристаллического кремния. Каждый модуль имеет поверхность 3,08 м2 и обеспечивает электрическую мощность от 250 до 416 Вт. Общая поверхность всех модулей составляет 10 тыс. м2 суммарной мощностью 750 тыс. кВт•ч. Каждый элемент «солнечной» крыши наклонён под углом 50 , что обеспечивает нормальный сток дождевой воды, которая затем после простейшей очистки поступает на хозяйственные нужды, например для смывных бачков туалетов, для стиральных и моечных машин в отеле и т.п.

Экологические расчёты показали, что при использовании солнечной энергии в данном здании выделения углекислого газа в окружающую здание атмосферу уменьшится на 490 тыс. кг в год.Специалисты отмечают быстрый рост числа установок, применяющих описанный выше способ энергоснабжения за последние 17 лет, и прогнозируют дальнейшее бурное развитие «солнечной» энергетики. Так, если в 1983 г общий объём получаемой солнечной энергии составлял 18 МВт, то через десять лет он был равен уже 58 МВт, а в 1998 г достиг 136 МВт в год. К 2020 году прогнозируется увеличить мощность «солнечной» энерговооружённости Германии до 600 Мвт в год, что соответствует ежегодному возрастанию на 20%. Подчёркивается, что такие солнечные системы могут быть автономными и не нуждаются в подключении к общей сети. Такие автономные установки составляют в настоящий момент 64% от их общего числа. Сюда относятся такие приборы, как «солнечные» часы, калькуляторы, моторные лодки и, наконец, космические аппараты. Остальные 36% от общего числа солнечных энергетических систем относят к установкам, покрывающим пиковую нагрузку.
Коэффициент полезного действия моно- и поликристаллических кремниевых модулей находится в пределах от 12 до 15%. Для его увеличения исследуются различные пути повышения их эффективности. Сюда относятся :
разработка так называемых пирамидальных модулей с тем, чтобы солнечные лучи многократно поглощались поверхностью кремниевого кристалла;
использование зеркального и линзового эффекта для фокусирования солнечных лучей;
усовершенствование самих кремниевых слоёв путём уменьшения их толщины;
поиски новых материалов в качестве полупроводников, типа сплава кадмия с теллурием или сплава меди с индием.

Для эффективной передачи энергии солнечных модулей в сеть используют так называемые «инверторы», выполняющие роль преобразователя энергии, переводящие электроток из постоянного в переменный. Ведутся исследования и по повышению их эффективности с тем, чтобы снизить потери энергии при её преобразовании. До настоящего времени один киловатт-час солнечной энергии стоит около 1,5 немецкой марки, в то время как на тепловых электростанциях его стоимость составляет около 0,1 немецкой марки. Использование всех вышеперечисленных методов усовершенствования солнечных генераторов и преобразователей сделает в будущем, вероятно, «солнечную» энергетику вполне конкуренто-способной.

Самая серьезная проблема использования солнечной энергии состоит в её аккумулировании. Ведь максимальная потребность в тепловой энергии падает на ночные часы в самый холодный несолнечный период года в северных регионах земного шара. Накапливать солнечную энергию в электроаккумуляторах или в теплоизолированных водяных резервуарах слишком дорого и нерационально. С целью решения этой проблемы ведутся исследовательские работы по получению водорода путём электролиза воды с последующим его сжижением и накоплением.