Интерес к развитию солнечной энергетики известен давно и продолжает расти, поскольку использование возобновляемых источников энергии экономичен, а потому важен для многих отраслей производства и не наносит вреда окружающей среде.
История развития и усовершенствования солнечных технологий увлекательна и ее можно изучать не только благодаря историческим справкам и достижениям, приобретшим известность, но и патентам, выданным на них многим ученым, исследователям, специалистам в области инженерии.
Хотелось бы напомнить, что попытки использования солнечного света известны с давних времен. Например, с помощью стекла, расположенного под определенным углом, сфокусированным солнечным лучом пытались разжечь костер или уничтожить насекомых, а греки и римляне с помощью зеркал зажигали факелы в религиозных целях, о чем упоминается и в китайских документах. Описаны случаи применения зажигательных зеркал и во время войн.
Солнечная энергия издавна привлекала внимание не только ученых. Так, например, в сентябре 1816 года Роберт Стерлинг (священник из Шотландии) подал заявку на патент в канцелярию в Эдинбурге на свой экономайзер. Он в свободное от богослужения время строил тепловые двигатели в домашней мастерской. Этот двигатель позже использовался в устройстве для концентрации тепловой энергии солнца для производства электроэнергии.
В 1839 году французский ученый Эдмон Беккерель открыл, что платиновые электроды, покрытые галогенидами серебра, генерируют электричество при освещении синим или ультрафиолетовым светом, а спустя 34 года (в 1873 г.) английский инженер-электрик Уиллоуби Смит обнаружил, что фотоэлектрический эффект возникает и благодаря селену. Спустя три года исследователями У. Г. Адамсом и Р. Э. Дэйем было подтверждено свойство селена вырабатывать электричество при воздействии на него света.
В 1860 году профессор математики Огюстен Мушо из Франции начал работать над устройством для преобразования солнечной энергии в электрическую, а спустя год подал заявку на получение патента по использованию концентрированного солнечного излучения для нагрева воды. Он также разработал «Солнечный двигатель» для небольшого парового двигателя, который был представлен на Всемирной выставке в Париже в 1878 году и вызвал большой интерес у посетителей. В дальнейшем Мушо продолжал совершенствовать свои разработки и подавать заявки на патенты. Но в 1859 году США открыли нефть, а на востоке Франции были обнаружены залежи угольных месторождений. В отличие от технологий по получению электроэнергии на основе бензина и угля разработки Мушо не были экономически выгодны, так как не могли сохранять энергию для последующего использования, а потому французское правительство отказалось поддерживать его исследования.
Несмотря на то, что селеновые солнечные элементы не могли в достаточном количестве преобразовать солнечный свет для питания электрооборудования, все же это открытие сыграло важную роль в развитии этих технологий, так как ученые доказали, что твердый материал способен преобразовывать свет в электричество без тепла.
Вскоре Чарльз Фриттс (в 1883 году) разработал и установил первую в мире солнечную панель из селеновых элементов в Нью-Йорке. Он подал заявку на патент, но так и не получил его из-за низкого коэффициента преобразования энергии этим устройством.
Позже, в период развития полупроводниковых солнечных элементов, использование солнечной энергии получило еще большее распространение. Так в 1887 году немецкий физик Генрих Герц открыл фотоэлектрический эффект - испускание электронов веществом под действием света, а в 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил квантовую основу фотоэффекта, за что получил Нобелевскую премию по физике 1921 года.
Русский физик Александр Столетов с 1888 по 1891 год опубликовал шесть работ по фотоэффекту и построил первый солнечный элемент на его основе, а в 1904 году Вильгельм Гальвакс создал солнечный элемент с полупроводниковым переходом на основе фотоэффекта, используя оксид меди в качестве полупроводника.
Несколькими годами ранее (в 1888 году) американский химик Эдвард Уэстон получил два патента США № 389124 и 389125 на солнечные элементы для преобразования солнечной энергии в электрическую на основе термобатарей. Его изобретение позволили сохранять солнечную энергию в химическом элементе батареи и использовать ее в любое время суток и в пасмурную погоду. Концепция накопленной энергии Э. Уэстона и сегодня является общепринятым подходом к применению солнечной энергии.
А уже несколькими годами позже (в 1891 году) изобретателем Кларенсом Кемпом был запатентован первый коммерческий солнечный водонагреватель «Climax», в 1908 г. сотрудник компании Carnegie Steel Company У. Дж. Бейлли создал солнечный коллектор с медными катушками и изолированной коробкой.
Эти и многие другие научные работы и открытия стали основой для новых разработок Bell Laboratories в области кремниевых солнечных элементов. Было доказано, что полупроводниковые материалы на основе кремния более эффективны, чем на основе ранее используемых материалов. И уже в 1941 году Рассел С. Оль из Bell Labs создал первый кремниевый солнечный элемент и получил патент США № 2 402 662 на свое изобретение.
Большой прорыв в области солнечных технологий в 1954 году совершили ученые из Bell Labs (США) Дэрил Чапин, Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон, подарив миру кремниевый монокристаллический фотоэлектрический элемент, который увеличил эффективность преобразования солнечной энергии на 6% при прямом попадании на него солнечного света.
Этого было достаточно для питания повседневного электроборудования в течение нескольких часов в день. Ученые получили патент № 2 780 765 в 1957 году. Изобретение Д. Чапина, К. Фуллера и Д. Пирсона стало основой для большей части современных технологий солнечных элементов, а их имена в 2008 году были включены в Национальный зал славы изобретателей. (https://ipo.org/wp-ontent/uploads/2020/06/Solar-Cells_Article_IPO_KarthikKumar.pdf)
Начиная с 1950-х годов, некоторые жилые и коммерческие здания уже проектировались с учетом использования солнечной энергии.
Солнечные панели устанавливались не только на крышах, но и стенах зданий. Были созданы технологии изготовления гибкой солнечной черепицы, тонкопленочных фотоэлектрических панелей для замены традиционного стеклянного облицовочного материала на фасадах зданий и многое другое в области строительства.
Не обошли вниманием и такую отрасль экономики, как самолетостроение. Так в 1998 году был построен первый дистанционно управляемый самолет на солнечных батареях «Pathfinder», который установил рекорд высоты полета.
В заключение следует отметить, что особое значение в стимулировании развития солнечной энергетики имеет предоставление им правовой охраны. Сегодня выдаются тысячи патентов не только в США, но и по всему миру на технологии преобразования солнечной энергии в электрическую. При этом интерес к ним продолжает расти во всем мире с учетом их безопасности для окружающей среды, возрастающей их эффективности и снижения издержек на их производство.
У нас так же есть телеграмм канал Патентное чтиво, где публикуются рекомендации/чек-листы, истории и экспертные материалы по патентам, брендам, IT продуктам и авторским правам.
Подписывайтесь!