Есть место, где энергия светового излучения солнца занимает лидирующие позиции. Это космос. Здесь солнечным батареям не мешают ни погода, ни короткий солнечный день. В открытом космосе около Земли на один квадратный метр полупроводниковой солнечной батареи приходится приблизительно 1,4 кВт световой энергии солнца. Это и позволяет сотням искусственных спутников бесперебойно выполнять свои разнообразные задачи. Если же с этими батареями опуститься на землю, то придется считаться с рядом факторов, которые существенно понизят их отдачу, а в некоторых случаях вообще сделают их использование невозможным. Прежде всего, часть световой энергии солнца поглотит даже самая чистая атмосфера. И чем ниже солнце над горизонтом, тем больший путь проходят в атмосфере его лучи и тем меньше их остается нам. Это делает малоэффективной установку солнечных батарей в высоких широтах, несмотря на то, что там полгода длится полярный день.
Особенности климата заставляют применять солнечные батареи в тех местах, где больше солнечных дней в году, конечно, если речь идет о промышленном получении энергии этим способом. Для мелких хозяйств, скорее всего, такая энергетическая установка будет невыгодна, за исключением случаев, о которых будет сказано дальше.
Солнечные батареи чаще всего выпускаются в виде плоских панелей (рис. 1), которые удобно устанавливать, например, на крышах домов.
Рис. 1. Вид панелей солнечной батареи
Они состоят из плоской основы, на которой закрепляются фотоэлементы. Один такой элемент дает довольно низкое напряжение, поэтому несколько элементов соединяются последовательно или параллельно для увеличения соответственно напряжения или тока. Фотоэлементы таких батарей чаще всего изготавливаются из кремния. Дороговизна таких панелей подтолкнула к тому, что появился другой их вид: здесь сам генерирующий элемент выполнен на поверхности трубки, а солнечный свет концентрируется на них с помощью отражателей, называемых концентраторами. Концентратор может быть параболической или другой формы (рис. 2).
Рис. 2. Солнечные батареи с концентратором
В этом случае на фотоэлементе создается очень большая плотность излучения, и трубка нуждается в постоянном охлаждении, для чего через нее пропускают воду или другое охлаждающее вещество. Сам фотоэлемент изготавливается уже из других материалов, способных работать при мощных излучениях. В солнечных батареях с концентраторами сам фотоэлемент имеет меньшую площадь, чем в плоских панелях, а потому при одинаковой мощности такая батарея будет иметь меньшую стоимость. А возможно и наоборот, использование более дорогих и эффективных фотоэлементов в солнечных батареях с концентраторами обеспечит большую мощность при той же цене.
Эффективность обычных плоских солнечных панелей заметно повышается, если снабдить их устройством слежения, которое направляет их точно на Солнце. Батареи с параболическими концентраторами вообще без такого устройства работать не будут.
Преимущество солнечных батарей состоит в том, что они превращают свет непосредственно в электрическую энергию, здесь нет ни нагрева воды, ни движущихся элементов, если не считать относительно простых устройств слежения, они бесшумны и не выбрасывают вредных веществ. Однако с их экологической чистотой можно поспорить: для изготовления материалов солнечных элементов требуется напряженная работа химической промышленности.
Другим недостатком полупроводниковых солнечных батарей является их низкий коэффициент полезного действия, порядка 10–15 процентов, остальная энергия солнечного света либо отражается, либо уходит на нагрев элемента, а нагрев в свою очередь еще больше понижает КПД. Различные фирмы и группы ученых сейчас заявляют об изобретении новых материалов для солнечных батарей с более высоким КПД (более 30 %), но в массовом производстве они пока не замечены.
Наряду с непосредственным преобразованием солнечного света в электричество есть огромное количество проектов, где на солнце нагреваются вода или воздух, например, в одном из таких проектов предлагается часть пустыни Сахара покрыть крышей, под которой будет сильно нагреваться воздух, затем он будет выходить через огромной высоты трубу. При этом в трубе должна возникать мощная тяга, которая сможет вращать турбину. Это, конечно, сложнее обычных плоских панелей, но такие проекты могут быть гораздо выгоднее и экологически чище, к тому же их можно разместить в тех местах, которые могут быть непригодными для других видов хозяйства, например, в той же Сахаре или зоне радиоактивного заражения чернобыльской АЭС. О том, как солнце используется для нагрева воды, умолчим, ведь любой сельский житель об этом знает.