ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

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