Земля получала миллиарды лет и сейчас получает от Солнца громадное количество энергии. Практически вся энергетика человечества и в прошлом и в наши дни базируется на запасенной в процессе фотосинтеза солнечной энергии. И сейчас эти запасы в виде минерального топлива (угля, нефти, торфа и природных газов) еще велики. Данные о величине запасов, которые оцениваются главным образом по запасам угля (топливо остальных видов содержит по крайней мере в 100 раз меньше энергии), довольно противоречивы. Это объясняется отчасти тем, что разведка месторождений угля и другого топлива еще далеко не закончена. Например, запасы каменного угля в нашей стране в 1913 г. оценивались в 231, в 1938 г. в 1654, в 1956 г. в 8670 млрд т. При этом учитывались только залежи не глубже 1600 м и с толщиной пластов не менее 0,4—0,5 м. Совсем не учитывались залежи на дне морей (Баренцева, Карского, Лаптевых, Охотского и др.).
По сведениям ООН, запасы энергии в мировых залежах твердого топлива на 1952 г. составляли 3,2 * 1016 квт-ч. В ФРГ на тот же год была приведена другая цифра — 4,5 * 1016, а на 1957 г. третья цифра — 1,2 * 1017квт-ч. По данным, опубликованным Каминко (М. Каминко. Хватит ли на Земле топлива. «Неделя», 1963, Хз 34.), залежи угля только в СССР достигают 1,53*1013, а во всем мире 5,6*1013 т. Учитывая, что все запасы продуктов фотосинтеза прошлых эпох, считая на углерод, оцениваются в 6,4 * 1015 т, цифры, данные Каминко, никак нельзя считать завышенными, и количество энергии, сосредоточенной в запасах минерального топлива, можно оценить величиной порядка 5,0 * 10 17 квт-ч.
До границы атмосферы Земли доходит несколько меньше одной двухмиллиардной доли солнечного излучения, но и это составляет 14,5 * 1017 квт-ч в год. В атмосферу Земли проникает 8,7 * 1017 квт-ч, т. е. в 30 000 раз больше потребляемой сейчас человечеством энергии. 2,3*1017 квт-ч энергии задерживается в атмосфере, но из этого количества какая-то часть тратится на необходимую человечеству работу — перенос паров воды. До поверхности Земли доходит 6,4 * 1017 квт-ч, из которых 3,5 * 1017 квт-ч расходуется на испарение воды и на подъем ее паров в атмосферу. Эту часть энергии Солнца нельзя считать полностью неиспользуемой, так как эти процессы необходимы для животного и растительного мира.
Из остальных 2,9 * 1017 квт-ч незначительная часть энергии (меньше 1%) потребляется в процессе фотосинтеза. В дальнейшем масштаб фотосинтеза будет, по-видимому, увеличен. Однако даже в этом случае продукты этого процесса нельзя рассматривать как источник для покрытия чисто энергетических потребностей человека. Здесь с уверенностью можно предположить, что до овладения синтезом пищевых веществ продукты фотосинтеза будут использоваться для питания и для переработки в различные предметы промышленного и бытового назначения. По мере же освоения методов получения синтетической пищи продукты фотосинтеза все в больших количествах будут идти на переработку, так как с ростом населения и непрестанным развитием техники повысится потребность в материалах, получаемых искусственным путем.
Таким образом, резервами солнечной энергии следует считать энергию, доходящую до поверхности Земли и не используемую в процессе фотосинтеза и транспирации, энергию поднятой в виде паров воды и энергию, поглощаемую атмосферой. Если считать на всю поверхность земного шара (с учетом увеличения в дальнейшем масштабов фотосинтеза и транспирации), то эти ресурсы составят примерно 2,0 * 1017 квт-ч. Эта величина в 6890 раз превышает современное потребление первичной энергии и в 400 раз предполагаемое в 2050 г. Но поистине грандиозными оказались бы ресурсы энергии, может быть даже в масштабе всей жизни человечества на Земле, если бы удалось использовать всю солнечную энергию, доходящую до границы атмосферы. Ведь в настоящее время в виде непосредственной энергии солнечных лучей, гидроэнергии и энергии ветра используется очень малая часть ресурсов солнечной энергии, непрерывно поступающей на Землю. А кроме того, человечество пока почти не использует теплоту вод мирового океана и воздуха.
Непосредственное использование солнечной энергии (гелиотехника) имело место еще в глубокой древности. Например, в постаменте «поющей» древнеегипетской статуи Аменофоса III, жившего за 1500 лет до н. э., имелись, как предполагают, две соединенные между собой камеры, частично заполненные водой. С восходом солнца воздух в камере, расположенной на солнечной стооо-не, нагревался и давил на воду, которая вытеснялась в другую камеру, сжимая там воздух; сжатый воздух по трубопроводу шел к расположенным в голове статуи музыкальным клапанам органного типа.
М. В. Ломоносов в 1741 г. представил в Академию наук доклад о возможности создания «зажигательного инструмента» путем концентрации солнечных лучей в системе линз и отражательных зеркал.
В наше время солнечную энергию чаще всего превращают в тепловую и в таком виде она используется. Ведутся работы по созданию электростанций на базе пара, получаемого при нагреве воды солнечными лучами.
Солнечную энергию преобразуют в тепловую с помощью «теплоизолированного ящика» или собирательных линз. Первый способ основан на том, что стекло, пропуская видимые лучи, задерживает невидимые. Таким образом, если теплоизолированный ящик имеет одну стеклянную освещаемую солнцем стенку, то видимые лучи проникнут в ящик и задержатся там. В ящике находится тело, хорошо поглощающее видимые лучи (земля, зачерненные предметы). Нагревшись до невысокой температуры, тело начинает излучать длинноволновые невидимые лучи, которые задерживаются стеклом. Температура в ящике повышается. Этот принцип используется при сооружении теплиц, сушилок, опреснителей воды, кипятильников. В среднеазиатских республиках СССР по этому принципу устроены бани, душевые, прачечные, сушилки для фруктов и т. п. Коэффициент полезного действия таких установок нередко достигает 70%. В сельском хозяйстве солнечную энергию можно использовать еще более простым способом. Днем солнце нагревает воду в искусственном водоеме, затем при вечернем похолодании этой водой поливают посевы или нагревают оранжереи и парники.
При необходимости нагреть объект до очень высокой температуры (до 3500°) солнечные лучи концентрируют системой собирательных линз или отражательных зеркал. На этом принципе работают кухонные печи, паровые машины и высокотемпературные печи для плавки металлов. Первая «солнечная» паровая машина, приводящая в действие печатный станок, демонстрировалась в 1878 г. на Всемирной выставке в Париже. Сейчас во Франции в Мон-Луи создана мощная гелиотермическая высокотемпературная печь (3000°) для получения циркония. Оригинальные солнечные энергетические установки, снабжающие энергией ряд промышленных предприятий, имеются в Израиле. В СССР есть солнечные установки, вырабатывающие до 50 кг/час пара давлением 7 атм. Был разработан проект постройки крупной солнечной установки в Армении (в Араратской долине), производительностью 2,2 млн. квт-ч электроэнергии в год. Согласно проекту, на вагонетках устанавливаются отражательные зеркала; регулируя передвижение вагонеток по концентрическим рельсам, можно в течение всего дня направлять отраженные зеркалами солнечные лучи на паровой котел.
Указанными путями используют, конечно, очень небольшое количество солнечной энергии, но в будущем степень использования может быть увеличена во много раз. В ряде стран, в том числе в СССР, ведутся работы по превращению энергии солнечных лучей непосредственно в электрическую при помощи термоэлектрических, фотоэлектрических и термоионных генераторов. Термоэлектрический генератор представляет собой батарею последовательно соединенных термопар. При нагревании одной стороны батареи солнечными лучами и охлаждении другой стороны (водой или воздухом) в батарее возникает электрический ток. Лет двадцать назад кпд такой батареи не превышал долей процента, в термобатареях последних конструкций он достигает 7—9%.
Солнечный фотоэлектрический генератор состоит из пластинок особо чистого монокристаллического кремния. В пластинки на некоторую глубину вводят малые количества другого элемента, в результате чего электронные уровни в решетке кремния смещаются, и пластинка приобретает способность преобразовывать тепловую энергию солнечных лучей в электрическую. По теоретическим подсчетам, кпд фотоэлектрического генератора может быть доведен до 25%. Сейчас такие генераторы имеют кпд, равный 13%.
Элемент термоионного генератора включает в себя две близко расположенные металлические пластинки; одна из них при нагреве до 2000—2500° начинает испускать электроны, которые, перескакивая на другую пластинку, создают электрический ток.
Но пока все энергоэлектрические установки имеют один общий недостаток — они очень громоздки. Рассмотрим, например, такой случай. На широте 45° за день на 1 м2 поверхности поступает 5800 ккал солнечного тепла; в среднем число солнечных дней в год равно 180. При кпд, равном 17%, установка, превращающая солнечную энергию в электрическую, должна иметь поверхность — 50 км2, чтобы ее мощность достигла мощности Волжской ГЭС. Отсюда мы видим, что успехи, имеющиеся в деле использования солнечной энергии, еще очень скромны. Конкретные пути реализации заложенных здесь грандиозных возможностей пока не ясны, но это не означает, что они останутся таковыми и в будущем.